撰稿 | 潘婷（暨南大學）

說明 | 本文由論文作者（課題組）投稿

近年來，隨著生物光子學和生物醫(yī)學的蓬勃發(fā)展，光學檢測技術為在活細胞及復雜的生物體中生物信號及生物過程的實時檢測及可視化提供了強大的工具。相較于其他檢測及成像技術，光學檢測技術具有實時、原位、非入侵性、無損等優(yōu)點。

生物光子學和生物醫(yī)學的快速發(fā)展對能用于光學探測與成像的高生物兼容的光子器件提出了極大的需求。然而，基于傳統(tǒng)材料的光子器件由于其生物兼容性差，難以避免地會對生物系統(tǒng)造成生物損傷。

大自然中廣泛存在的活的生命體如病毒、藻類、細菌、哺乳動物細胞及組織等，為構建高生物兼容的光子器件提供了豐富的思路。基于這些活的生命體構建的生物光子探針能夠直接用于生物系統(tǒng)，以極高的生物相容性和非侵害性在靶向位置進行多功能光場調控，進一步進行高靈敏的生物探測與高精度生物成像。

生物光子探針的出現(xiàn)為生物光子學和生物醫(yī)學的發(fā)展開辟新的道路，但在生物探測與成像等領域的應用還存在非常大的挑戰(zhàn)。

為此，來自暨南大學納米光子學研究院的李寶軍教授和辛洪寶教授研究團隊結合前期的工作基礎，以 Biophotonic probes for bio-detection and imaging 為題在 Light: Science& Applications 發(fā)表綜述文章，回顧了近年來了生物光子探針在生物探測與成像的應用。

該綜述系統(tǒng)總結了基于病毒、細胞、活體組織等不同生命體的生物光子探針從光的產(chǎn)生、到光的傳輸與光的調制的不同光學功能，探討了這些生物光子探針作為生物激光器、生物光波導、生物微透鏡等光子器件在生物探測與成像等領域的應用（圖1）。在此基礎上，展望了生物光子探針在生物光子學與生物醫(yī)學領域所面臨的機遇與挑戰(zhàn)。

生物激光器

激光在生物醫(yī)學領域的應用可以追溯到上個世紀50年代，因其優(yōu)異的特異性如實時、無創(chuàng)、窄波長、較佳的成像對比度等，近年來在生物醫(yī)學領域已得到廣泛應用。

一般而言，激光的產(chǎn)生需要三要素：泵浦源、工作介質（增益介質）以及光學諧振腔。與傳統(tǒng)激光器不同的是，生物激光器采用具有極高生物相容性的病毒、活細胞或組織等生物材料作為增益介質或諧振腔載體。通過基因工程技術讓細胞或病毒自身表達熒光蛋白、或采用熒光染料對生命體進行標記，其可作為增益介質在諧振腔中產(chǎn)生激光。由于生物激光器的輸出信號與細胞組織的生理特征緊密相連，這類激光器可實現(xiàn)高靈敏的生物探測與高精度生物成像。

根據(jù)最新研究進展，我們總結了三種主要的生物激光器：細胞激光器、組織激光器及病毒激光器。

細胞激光器可根據(jù)諧振腔的位置分為細胞外激光器（諧振腔位于細胞外部）和細胞內激光器（諧振腔位于細胞內部）。細胞外激光器通過將熒光標記的活細胞或細菌置于由兩個平行放置的平面反射鏡組成的法布里-珀羅（F-P）諧振腔（拓展：名詞解釋）中，當采用特定波長的光源激發(fā)細胞時，細胞會發(fā)出激光，而且在此過程中細胞不會受到損傷（圖2a）。

細胞外激光器必須使用外加的諧振腔，因而不利于將激光器植入活體內。而細胞內激光器可通過在活細胞內引入回音壁模式光學微腔（拓展：名詞解釋），從而獲得自帶諧振腔的細胞激光器。

拓展閱讀：《綜述：回音壁模式激光生物傳感》

這種回音壁模式光學微腔可以是混合了熒光染料的脂滴（圖2b），亦或是具有高折射率的回音壁微球腔，如熒光摻雜的聚苯乙烯微球（圖2c）。然而，雖然這類回音壁模式光學微腔可實現(xiàn)高靈敏度的細胞內激光輸出，但其較大的尺寸（微米級）很可能會對細胞的生理功能產(chǎn)生不可忽視的影響。解決這一問題的辦法是可將納米級的激光器（如CdS半導體納米線或者金納米線等離激元激光器）嵌入細胞質中（圖2d），可在不影響細胞健康及正常生理功能的情況下實現(xiàn)活細胞實時監(jiān)測及成像。

除了生物細胞，多細胞結構的活體組織同樣可以采用上述類似的技術構建生物激光器（也即組織激光器）。例如，通過將熒光標記的聚苯乙烯微球植入哺乳動物活組織樣本中，分別實現(xiàn)了眼角膜，血液和皮膚表面下200微米深處的激光發(fā)射（圖3a）。另一種較為典型的組織激光器是將組織樣本置于F-P諧振腔中構建的“激光發(fā)射顯微鏡（LEM）”（圖3b）。與熒光顯微鏡相比，激光發(fā)射顯微鏡具有窄線寬（發(fā)射光譜 < 0.1nm），低閾值和高信噪比（信噪比>50）等優(yōu)勢，從而實現(xiàn)超靈敏檢測，具有出色的圖像對比度和更高的光譜/空間分辨率。另外，通過對組織細胞的DNA和蛋白進行特異性熒光標記，可實現(xiàn)多重激光，可同時檢測多個靶點。

除了生物細胞和組織外，病毒也可以用作生物激光器的載體。例如，噬菌體是一類特異性侵襲細菌的病毒，對人體安全無害。在噬菌體外殼蛋白標記熒光染料可獲得基于噬菌體的病毒激光器。進一步通過噬菌體展示技術（拓展：名詞解釋），可在噬菌體的外殼蛋白上修飾不同種類的抗體，實現(xiàn)對多種目標生物分子的高靈敏檢測。檢測極限可達到90 fmol mL?1。

由于生物激光器的發(fā)射譜與生命體微結構和生理性能息息相關，目前生物激光器在細胞示蹤、細胞內部微環(huán)境檢測、組織結構成像和疾病診斷等領域展現(xiàn)出了巨大的應用潛力。

例如，通過組織激光發(fā)射顯微鏡，可區(qū)分來自患者的正常組織及I / II期肺癌組織、人類結腸、胃、乳房癌變組織，特異性達100%，靈敏度達95%以上。

另外，值得一提的是，傳統(tǒng)的熒光探針發(fā)射波長較寬，這一特點導致其無法同時實現(xiàn)對多細胞實時追蹤。生物激光器可使用不同發(fā)射波段的熒光染料摻雜微球，結合使用不同尺寸的微球單獨標記靶向細胞，可同時追蹤上千個細胞，并進行目標組織細胞的定位。

活細胞組裝的生物光波導

生物組織對可見光和近紅外光通常呈現(xiàn)出低透明和高散射的特點，因此光在人體組織中穿透深度較淺，這極大限制了在人體內部實時光學檢測與成像的實際臨床應用。傳統(tǒng)醫(yī)學檢查理論中，一般采用玻璃纖維制的光纖將光輸送到體內。然而如果人們一旦使用玻璃光纖深入生物組織，玻璃質脆且不可生物降解。植入體內會破壞和損傷組織。而且對于藥物活化、光學成像、疾病診斷等醫(yī)學檢查來說，玻璃制光纖傳輸信息是不現(xiàn)實的。

細胞是體內大量存在的天然材料，利用細胞構建生物光波導為解決上述問題提供了一個很好的思路。細胞折射率約為1.38，略高于水的折射率（約為1.33）。因此，將單個細胞組裝成一串細胞鏈，理論上光可通過在細胞膜和水的界面上形成全內反射（拓展：名詞解釋），從而沿著細胞鏈傳輸，形成基于活細胞的生物光波導。

目前主要有兩種利用活細胞組裝生物光波導的方法：

第一種就是光學捕獲技術實現(xiàn)生物光波導的組裝。這種方法可通過光力無損捕獲并操控組裝活細胞。例如，將波長為980 nm的近紅外激光通入錐形光纖探針，利用光纖尖端出射光產(chǎn)生的光梯度力可將多個懸浮在液體中的細胞裝成一串有序的波導（圖4a），長度可通過改變光功率大小調控。這種用細胞組成的生物光波導不但具有很好的生物相容性，而且可作為待測樣本直接在生物組織內部進行檢測成像。例如，通過測量紅細胞波導的光傳播模式，可以實時探測血液中pH的變化（圖4b）。

另一種組裝細胞光波導的方法是利用光的非線性效應引發(fā)的細胞自聚集效應。當光束通過時，細菌溶液或人體血細胞溶液中的細胞會在光梯度力和散射力的共同作用下自發(fā)聚集到光束中心，形成生物光波導，并且大大降低了光束的發(fā)散（圖4c和4d）。這種生物光波導組裝長度可達到4 cm左右，并且光傳輸損耗可低至0.14 dB mm?1。未來也許可以利用這種原位組裝的長距離細胞光波導實現(xiàn)非侵入性的醫(yī)學診斷。

活細胞構建的生物微透鏡

光學透鏡是進行光場調制的重要光學器件，具有匯聚或發(fā)散光束的功能。令人意想不到的是，許多天然的生物活細胞可作為生物微透鏡在生物系統(tǒng)中發(fā)揮聚焦光束的功能。例如，研究發(fā)現(xiàn)藍藻細菌的趨光性很可能源于其透鏡效應。球形的藍藻細菌可作為微透鏡將光束聚焦到細胞膜附近，膜上的光感受器感受到光刺激后激活鞭毛，拖動細胞向光源方向移動（圖5a）。藍藻很可能是地球上最小并且最古老的細胞微透鏡。其它活細胞，如酵母細胞、紅細胞等，同樣可以作為生物微透鏡發(fā)揮光調制的功能。

活細胞微透鏡可作為生物放大鏡用于無損光學生物成像。例如，通過在錐形光纖末端捕獲一個細胞，被捕獲的細胞形成了一個天然的生物放大鏡，可以以100 nm的分辨率放大納米結構（圖5b）。另外，這種生物放大鏡還可形成一個納米光學勢阱，精確地操縱半徑為50納米的單個納米顆粒。該技術為無機械或光熱損傷的生物納米材料光學成像、傳感和組裝提供了一種高精度的工具。

人成熟的紅細胞無細胞核和細胞器，且具有獨特的延展性和可變形性，因此可作為一種可變焦的生物微透鏡（圖5c）。更為重要的是，紅細胞的異常形態(tài)在臨床上可作為血液相關疾病診斷的重要依據(jù)。通過將紅細胞的透鏡效應與其它成像技術相結合，可實現(xiàn)一種非入侵式、無需標記的紅細胞形態(tài)檢測手段。如利用紅細胞的透鏡效應和定量相位成像技術，可精確獲得紅細胞的三維形貌結構，并診斷出多種紅細胞形態(tài)異常疾病（圖5d）。

挑戰(zhàn)與展望

該論文系統(tǒng)探討了基于活的生命體的生物光子探針在生物檢測與成像領域的最新進展。我們從光的產(chǎn)生、光的傳輸與光的調制三個方面總結了這些生物光子探針作為生物激光器、生物光波導、生物微透鏡等光子器件的構建技術與應用。與此同時，我們也探討了生物光子探針在生物檢測與成像等領域的實際臨床應用未來所面臨的關鍵挑戰(zhàn)。

對于生物激光器，一方面要考慮如何在不損傷活細胞的前提下降低閾值；另一方面，由于近紅外二區(qū)光對生物樣本損傷較小并且具有更深組織穿透性，未來開發(fā)可用近紅外二區(qū)光激發(fā)的生物激光器有益于推動其向臨床應用轉化。

對于生物光波導，開發(fā)新的活細胞組裝技術，以獲得具有更長的傳輸距離、且穩(wěn)定可靈活移動操控的細胞光波導是關鍵。

對于生物微透鏡，由于細胞的形態(tài)及光學性質受環(huán)境影響較大，因此基于細胞微透鏡的光學調制為精準實時生物光學檢測將帶來新的思路。此外，如果能將生物微透鏡集成于智能手機平臺，這將為生物醫(yī)學的實時監(jiān)測與血液診斷提供便攜式新方法。

雖然基于活的生命體的生物光子探針仍處于初期研究探索階段，我們認為其在未來的生物醫(yī)學應用中一定有獨特的優(yōu)勢，并為生物光子學和生物醫(yī)學的發(fā)展開辟新的道路。

希望本文的綜述能為科研人員深化生物光子探針的研究提供廣闊而全面的視角。

論文信息：

Pan, T., Lu, D., Xin, H. et al. Biophotonic probes for bio-detection and imaging. Light Sci Appl 10, 124 (2021). https://doi.org/10.1038/s41377-021-00561-2

論文地址:

https://doi.org/10.1038/s41377-021-00561-2

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編輯 | 趙陽

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