La detección e imágenes sensibles en bio-microambiente es muy deseada en aplicaciones biofotónicas y biomédicas. Sin embargo, Los materiales fotónicos convencionales muestran inevitablemente incompatibilidad e invasividad para los biosistemas. Para abordar este asunto, Los científicos en China revisaron los avances recientes de las sondas biofotónicas, incluidos los bioláseres, guías de ondas biofotónicas, y bio-microlentes, hecho de entidades biológicas con biocompatibilidad inherente y mínima invasividad, con aplicaciones para biodetección e imágenes. Estas sondas biofotónicas abren ventanas completamente nuevas para las investigaciones biofotónicas y las aplicaciones biomédicas.

El rápido desarrollo de la biofotónica y las ciencias biomédicas genera una gran demanda de estructuras fotónicas que sean capaces de manipular la luz a pequeñas escalas para la detección sensible de señales biológicas y la obtención de imágenes precisas de estructuras celulares en bio-microambiente. Desafortunadamente, Las estructuras fotónicas convencionales basadas en materiales artificiales (inorgánicos u orgánicos tóxicos) muestran inevitablemente incompatibilidad e invasividad cuando interactúan con sistemas biológicos. El diseño de sondas biofotónicas a partir de abundantes materiales naturales, particularmente entidades biológicas como virus, células y tejidos, con la capacidad de manipulación de luz multifuncional en los sitios objetivo, puede aumentar en gran medida la biocompatibilidad y minimizar la invasividad del microambiente biológico.

En un nuevo artículo publicado en Ciencia y aplicación de la luz , un equipo de científicos, dirigido por el profesor Baojun Li y el profesor Hongbao Xin del Instituto de Nanofotónica, Universidad de Jinan, Porcelana, revisó los intrigantes avances de las sondas biofotónicas emergentes hechas de entidades biológicas, como virus, bacterias células y tejidos, para biodetección e imágenes. Revisaron sistemáticamente tres sondas biofotónicas con diferentes funciones ópticas, es decir., láseres biológicos para la generación de luz, guías de ondas biofotónicas basadas en células para transporte ligero, y bio-microlentes para la modulación de la luz.

Para darse cuenta de sus posibles aplicaciones biomédicas de las sondas fotónicas, El control y la modulación efectivos de la generación de luz son particularmente importantes en diversos entornos bioquímicos. A este respecto, las propiedades únicas de la luz emitida por los láseres, incluyendo alta intensidad, direccionalidad y emisión monocromática, han convertido a los láseres en una de las herramientas más útiles en aplicaciones biomédicas. A diferencia de los dispositivos láser tradicionales, Los bio-láseres utilizan entidades biológicas como las células, tejidos y virus, como parte de la cavidad y / o medio de ganancia en un sistema biológico. Los bioláseres se pueden clasificar en tres tipos, es decir., láseres celulares, láseres de tejidos y láseres de virus. Estos bioláseres evitan los peligros biológicos de los dispositivos láser convencionales. Dado que su salida óptica está estrechamente relacionada con las estructuras y actividades biológicas de los sistemas biológicos, Los bio-láseres pueden servir como herramientas altamente sensibles en una variedad de aplicaciones biomédicas, incluido el seguimiento y etiquetado celular, diagnósticos, detección intracelular, e imágenes novedosas. Por ejemplo, Los microdiscos de modos de galería susurrante (WGM) con diámetros ligeramente diferentes dieron como resultado espectros de salida láser obviamente diferentes. Los láseres de células intracelulares realizados mediante la incorporación de estos microdiscos en las células permitieron el etiquetado y el seguimiento de células individuales de grandes poblaciones de células al mismo tiempo.

Además de los bioláseres para la biodetección y la obtención de imágenes en sistemas biológicos, Las guías de ondas ópticas también juegan un papel importante en los bio-microambientes. Como componente principal para el transporte ligero, Las guías de ondas ópticas pueden enviar señales de luz en bio-microambientes para un mayor análisis en tiempo real. y las guías de ondas ópticas juegan un papel insustituible para romper el límite de penetración de la luz en los tejidos al transportar la luz a los tejidos profundos. Para resolver el problema de la invasividad y la baja biocompatibilidad de las guías de ondas ópticas basadas en materiales convencionales, Las células vivas tienen un enorme potencial para la formación in situ de guías de ondas biofotónicas que son inherentemente elásticas, biocompatible, y biodegradable. El índice de refracción de la célula biológica (alrededor de 1,38) es ligeramente superior al del agua (alrededor de 1,33), permitiendo así que la luz guíe a través de una cadena de células por reflexión interna total en la interfaz de la membrana celular y el agua. Un enfoque factible y no invasivo para ensamblar guías de ondas biofotónicas basadas en células es el atrapamiento óptico. Mediante el uso de luz láser lanzada por una fibra óptica cónica, Las guías de ondas biofotónicas se pueden formar ensamblando una cadena de células bacterianas mediante fuerza óptica. Se permite la propagación de la luz a través de cadenas celulares de más de diez micrones. En otro caso, También se han aplicado efectos ópticos no lineales para la formación de guías de ondas biofotónicas basadas en células vivas, incluyendo algas y glóbulos rojos (RBC), logrando una propagación estable de la luz a larga distancia con bajas pérdidas en ambientes biológicos. Estas guías de ondas biofotónicas basadas en células se pueden realizar como una sonda biofotónica para la obtención de imágenes de células y la detección de microambientes biológicos. Por ejemplo, Las guías de ondas biofotónicas formadas por glóbulos rojos proporcionan una técnica de detección potencial para la detección del pH de la sangre y el diagnóstico de trastornos relacionados con la sangre.

Las lentes ópticas son otro dispositivo óptico importante diseñado para la modulación de la luz. Curiosamente, algunas células biológicas vivas pueden confinar la luz en sistemas biológicos, actuando como bio-microlentes. Un ejemplo típico son las cianobacterias, que actúan como microlentes esféricas, confinando la luz en un punto focal cerca de la membrana plasmática en la parte posterior de la fuente de luz. En un nivel superior de complejidad celular, muchas células de mamíferos también exhiben un comportamiento de lente. La deformabilidad intrínseca y la falta de núcleo y orgánulos hacen de los glóbulos rojos una especie de envoltura microestructurada en forma de disco que se puede explotar como bio-microlentes adaptables. Dado que las anomalías morfológicas de los glóbulos rojos están estrechamente relacionadas con enfermedades relacionadas con la sangre, Los glóbulos rojos con propiedad de biolente se pueden explotar como un sin etiqueta, y herramienta de detección rápida para identificar glóbulos rojos anormales de casos sanos. Las células biológicas también se han aplicado como biomagnificador para la obtención de imágenes sin etiquetas de células vivas u otras nanoestructuras.

Estas sondas biofotónicas abren oportunidades completamente nuevas para las investigaciones biofotónicas y también para aplicaciones biomédicas. p.ej., bioláseres para biodetección, etiquetado celular e imágenes de tejidos, guías de ondas biofotónicas basadas en células vivas para detección y detección ópticas, y bio-microlentes para diagnóstico de sangre y diagnóstico por imágenes de células unitarias. En comparación con los componentes fotónicos convencionales, estas sondas biofotónicas presentan muchas ventajas notables. Primero, ofrecen oportunidades inherentes y favorables para la biocompatibilidad y biodegradabilidad en comparación con los materiales sintéticos tradicionales. Adicionalmente, el desarrollo de sondas biofotónicas utilizando células / tejidos biológicos permite que estas entidades biológicas sirvan simultáneamente como componentes ópticos y muestras de prueba, que facilitan la detección in vivo y en tiempo real, detección, e imágenes.

A pesar de los importantes avances ya logrados, los autores enfatizan que el desarrollo general de las sondas biofotónicas está todavía en su infancia y aún queda mucho por explorar. Señalaron que aún se necesitan más esfuerzos para comprender completamente y descubrir la amplia y diversa familia de organismos vivos que son adecuados para servir como sondas fotónicas. Además, hasta aquí, la mayoría de los conceptos y técnicas se han demostrado mediante estudios in vitro o en animales como prueba de concepto. Se necesita mucho trabajo futuro para probar la viabilidad en aplicaciones prácticas clínicas y preclínicas. También sugirieron que las sondas biofotónicas, por ejemplo, bio-microlentes, integrado en una plataforma basada en teléfonos inteligentes tiene un gran potencial en biodetección, imagen diagnóstico molecular con muestras clínicas de forma portátil en tiempo real, que es de gran importancia en regiones con recursos limitados.