Il rilevamento sensibile e l'imaging nel bio-microambiente sono altamente desiderati nelle applicazioni biofotoniche e biomediche. Però, i materiali fotonici convenzionali mostrano inevitabilmente incompatibilità e invasività nei confronti dei biosistemi. Per affrontare questo problema, Scienziati in Cina hanno esaminato i recenti progressi delle sonde biofotoniche, compresi i bio-laser, guide d'onda biofotoniche, e bio-microlenti, costituiti da entità biologiche con intrinseca biocompatibilità e minima invasività, con applicazioni per il biorilevamento e l'imaging. Queste sonde biofotoniche aprono finestre completamente nuove per ricerche biofotoniche e applicazioni biomediche.

Il rapido sviluppo della biofotonica e delle scienze biomediche impone un'elevata richiesta di strutture fotoniche in grado di manipolare la luce su piccola scala per il rilevamento sensibile di segnali biologici e l'imaging preciso delle strutture cellulari nel bio-microambiente. Sfortunatamente, le strutture fotoniche convenzionali basate su materiali artificiali (inorganici o organici tossici) mostrano inevitabilmente incompatibilità e invasività quando si interfacciano con sistemi biologici. La progettazione di sonde biofotoniche dagli abbondanti materiali naturali, in particolare entità biologiche come virus, cellule e tessuti, con la capacità di manipolazione della luce multifunzionale nei siti target può aumentare notevolmente la biocompatibilità e ridurre al minimo l'invasività del microambiente biologico.

In un nuovo articolo pubblicato su Scienza e applicazione della luce , un team di scienziati, guidato dal professor Baojun Li e dal professor Hongbao Xin dell'Istituto di nanofotonica, Università di Jinan, Cina, ha esaminato gli intriganti progressi delle sonde biofotoniche emergenti realizzate da entità biologiche, come virus, batteri, cellule e tessuti, per la biorilevazione e l'imaging. Hanno esaminato sistematicamente tre sonde biofotoniche con diverse funzioni ottiche, cioè., laser biologici per la generazione di luce, guide d'onda biofotoniche cellulari per il trasporto della luce, e bio-microlenti per la modulazione della luce.

Per realizzare le loro potenziali applicazioni biomediche delle sonde fotoniche, un controllo e una modulazione efficaci della generazione di luce sono particolarmente importanti in vari ambienti biochimici. A questo proposito, le proprietà uniche della luce emessa dai laser, compresa l'alta intensità, direzionalità ed emissione monocromatica, hanno reso i laser uno degli strumenti più utili nelle applicazioni biomediche. A differenza dei dispositivi laser tradizionali, i bio-laser utilizzano entità biologiche come cellule, tessuti e virus, come parte della cavità e/o mezzo di guadagno in un sistema biologico. I bio-laser possono essere classificati in tre tipi, cioè., laser cellulari, laser tissutali e laser virali. Questi bio-laser evitano i rischi biologici dei dispositivi laser convenzionali. Poiché la loro uscita ottica è strettamente correlata alle strutture e alle attività biologiche dei sistemi biologici, i bio-laser possono fungere da strumenti altamente sensibili in una vasta gamma di applicazioni biomediche, inclusi tagging e tracciamento cellulare, diagnostica, rilevamento intracellulare, e nuove immagini. Per esempio, I microdischi WGM (sussurring gallery mode) con diametri leggermente diversi hanno prodotto spettri di uscita del laser ovviamente diversi. I laser cellulari intracellulari realizzati incorporando questi microdischi nelle cellule hanno consentito l'etichettatura e il monitoraggio di singole cellule da grandi popolazioni cellulari allo stesso tempo.

Oltre ai bio-laser per la biorilevazione e l'imaging nei sistemi biologici, anche le guide d'onda ottiche svolgono un ruolo importante nei bio-microambienti. Come componente principale per il trasporto leggero, le guide d'onda ottiche possono fornire segnali luminosi in bio-microambienti per ulteriori analisi in tempo reale, e le guide d'onda ottiche svolgono un ruolo insostituibile per rompere il limite di penetrazione della luce nei tessuti trasportando la luce nei tessuti profondi. Per risolvere il problema dell'invasività e della bassa biocompatibilità delle guide d'onda ottiche basate su materiali convenzionali, le cellule viventi hanno un enorme potenziale per la formazione in situ di guide d'onda biofotoniche che sono intrinsecamente elastiche, biocompatibile, e biodegradabile. L'indice di rifrazione della cellula biologica (circa 1,38) è leggermente superiore a quello dell'acqua (circa 1,33), consentendo così la guida della luce attraverso una catena di cellule mediante riflessione interna totale all'interfaccia della membrana cellulare e dell'acqua. Un approccio fattibile e non invasivo per assemblare guide d'onda biofotoniche cellulari è l'intrappolamento ottico. Utilizzando la luce laser lanciata da una fibra ottica rastremata, le guide d'onda biofotoniche possono essere formate assemblando una catena di cellule batteriche attraverso la forza ottica. La propagazione della luce è consentita attraverso catene cellulari di oltre decine di micron. In un altro caso, effetti ottici non lineari sono stati applicati anche per la formazione di guide d'onda biofotoniche basate su cellule viventi, comprese alghe e globuli rossi (RBC), ottenere una propagazione stabile della luce a lunga distanza con bassa perdita in ambienti biologici. Queste guide d'onda biofotoniche basate su cellule possono essere eseguite come una sonda biofotonica per l'imaging cellulare e il rilevamento del microambiente biologico. Per esempio, le guide d'onda biofotoniche formate dai globuli rossi forniscono una potenziale tecnica di rilevamento per il rilevamento del pH del sangue e la diagnosi dei disturbi correlati al sangue.

Le lenti ottiche sono un altro importante dispositivo ottico progettato per la modulazione della luce. interessante, alcune cellule biologiche viventi possono confinare la luce nei sistemi biologici, fungendo da bio-microlenti. Un tipico esempio sono i cianobatteri, che agiscono come microlenti sferiche, confinando la luce in un punto focale vicino alla membrana plasmatica sul lato posteriore della sorgente luminosa. Ad un livello più alto di complessità cellulare, molte cellule di mammifero mostrano anche un comportamento di lente. L'intrinseca deformabilità e la mancanza di nucleo e organelli rendono i globuli rossi una sorta di involucro microstrutturato a forma di disco sfruttabile come bio-microlente adattabile. Poiché le anomalie morfologiche dei globuli rossi sono strettamente associate a malattie legate al sangue, I globuli rossi con proprietà di biolensing possono essere sfruttati come un agente non invasivo, senza etichetta, e uno strumento di screening rapido per identificare globuli rossi anormali da casi sani. Le cellule biologiche sono state utilizzate anche come biomagnifier per l'imaging senza etichetta di cellule viventi o altre nanostrutture.

Queste sonde biofotoniche aprono opportunità completamente nuove per ricerche biofotoniche e anche per applicazioni biomediche, per esempio., bio-laser per biorilevazione, etichettatura cellulare e imaging tissutale, guide d'onda biofotoniche basate su cellule viventi per il rilevamento e il rilevamento ottico, e bio-microlenti per l'imaging di cellule singole e la diagnostica del sangue. Rispetto ai componenti fotonici convenzionali, queste sonde biofotoniche presentano molti vantaggi notevoli. Primo, offrono opportunità intrinseche e favorevoli di biocompatibilità e biodegradabilità rispetto ai materiali sintetici tradizionali. Inoltre, lo sviluppo di sonde biofotoniche che utilizzano cellule/tessuti biologici consente a queste entità biologiche di fungere contemporaneamente da componenti ottici e campioni di prova, che facilitano il rilevamento in vivo e in tempo reale, rilevamento, e immagini.

Nonostante i notevoli progressi già realizzati, gli autori sottolineano che lo sviluppo complessivo delle sonde biofotoniche è ancora agli inizi e c'è ancora molto da esplorare. Hanno notato che sono ancora necessari ulteriori sforzi per comprendere appieno e scoprire l'ampia e diversificata famiglia di organismi viventi adatti a fungere da sonde fotoniche. Oltretutto, finora, la maggior parte dei concetti e delle tecniche è stata dimostrata da studi in vitro o su animali come prova sul concetto. Molto lavoro futuro è necessario per dimostrare la fattibilità nelle applicazioni pratiche precliniche e cliniche. Hanno anche suggerito che le sonde biofotoniche, Per esempio, bio-microlenti, integrato in una piattaforma basata su smartphone ha un grande potenziale nel biorilevamento, immagini, diagnosi molecolare con campioni clinici in modo portatile in tempo reale, che è di grande importanza nelle regioni con risorse limitate.