Detecção sensível e imagem em bio-microambiente são altamente desejadas em aplicações biofotônicas e biomédicas. Contudo, os materiais fotônicos convencionais inevitavelmente mostram incompatibilidade e invasão aos bio-sistemas. Abordar esta questão, Cientistas na China revisaram os avanços recentes das sondas biofotônicas, incluindo bio-lasers, guias de ondas biofotônicas, e bio-microlentes, feito de entidades biológicas com biocompatibilidade inerente e invasividade mínima, com aplicações para bio-detecção e imagem. Essas sondas biofotônicas abrem janelas inteiramente novas para pesquisas biofotônicas e aplicações biomédicas.

O rápido desenvolvimento da biofotônica e das ciências biomédicas impõe uma grande demanda por estruturas fotônicas que são capazes de manipular a luz em pequenas escalas para a detecção sensível de sinais biológicos e imagens precisas de estruturas celulares no bio-microambiente. Infelizmente, estruturas fotônicas convencionais baseadas em materiais artificiais (inorgânicos ou orgânicos tóxicos) inevitavelmente mostram incompatibilidade e invasividade quando fazem interface com sistemas biológicos. O projeto de sondas biofotônicas a partir de materiais naturais abundantes, particularmente entidades biológicas, como vírus, células e tecidos, com a capacidade de manipulação de luz multifuncional em locais de destino pode aumentar muito a biocompatibilidade e minimizar a invasão do microambiente biológico.

Em um novo artigo publicado em Ciência leve e aplicação , uma equipe de cientistas, liderado pelo Professor Baojun Li e Professor Hongbao Xin do Institute of Nanophotonics, Jinan University, China, revisou os progressos intrigantes de sondas biofotônicas emergentes feitas de entidades biológicas, como vírus, bactérias, células e tecidos, para bio-detecção e imagem. Eles revisaram sistematicamente três sondas biofotônicas com diferentes funções ópticas, ou seja, lasers biológicos para geração de luz, guias de onda biofotônicos baseados em células para transporte de luz, e bio-microlentes para modulação de luz.

Para realizar suas aplicações biomédicas potenciais de sondas fotônicas, o controle e modulação eficazes da geração de luz são particularmente importantes em vários ambientes bioquímicos. A respeito disso, as propriedades únicas da luz emitida por lasers, incluindo alta intensidade, direcionalidade e emissão monocromática, tornaram os lasers uma das ferramentas mais úteis em aplicações biomédicas. Ao contrário dos dispositivos a laser tradicionais, bio-lasers utilizam entidades biológicas, como células, tecidos e vírus, como parte da cavidade e / ou meio de ganho em um sistema biológico. Bio-lasers podem ser categorizados em três tipos, ou seja, lasers celulares, lasers de tecido e lasers de vírus. Esses bio-lasers evitam os riscos biológicos dos dispositivos a laser convencionais. Uma vez que sua saída óptica está intimamente relacionada às estruturas e atividades biológicas dos sistemas biológicos, bio-lasers podem servir como ferramentas altamente sensíveis em uma variedade de aplicações biomédicas, incluindo marcação e rastreamento de celular, diagnósticos, detecção intracelular, e novas imagens. Por exemplo, Microdiscos de modos de galeria sussurrantes (WGM) com diâmetros ligeiramente diferentes resultaram em espectros de saída de laser obviamente diferentes. Os lasers de células intracelulares realizados pela incorporação desses microdiscos nas células permitiram a marcação e o rastreamento de células individuais de grandes populações de células ao mesmo tempo.

Além de bio-lasers para bio-detecção e imagem em sistemas biológicos, Os guias de onda ópticos também desempenham papéis importantes em bio-microambientes. Como o principal componente para transporte leve, guias de ondas ópticas podem fornecer sinais de luz em bio-microambientes para posterior análise em tempo real, e os guias de onda ópticos desempenham um papel insubstituível para quebrar o limite de penetração da luz no tecido, transportando luz para os tecidos profundos. Para resolver o problema de invasividade e baixa biocompatibilidade de guias de ondas ópticas convencionais baseadas em materiais, células vivas possuem um enorme potencial para a formação in situ de guias de ondas biofotônicas que são inerentemente elásticas, Bio-compatível, e biodegradável. O índice de refração da célula biológica (cerca de 1,38) é ligeiramente superior ao da água (cerca de 1,33), permitindo assim que a luz se oriente através de uma cadeia de células por reflexão interna total na interface da membrana celular e a água. Uma abordagem viável e não invasiva para montar guias de onda biofotônicos baseados em células é o aprisionamento ótico. Ao usar luz laser lançada por uma fibra óptica cônica, Os guias de onda biofotônicos podem ser formados pela montagem de uma cadeia de células de bactérias por meio de força óptica. A propagação da luz é permitida através de cadeias celulares em dezenas de mícrons. Em outro caso, efeitos ópticos não lineares também foram aplicados para a formação de guias de onda biofotônicos com base em células vivas, incluindo algas e glóbulos vermelhos (RBCs), alcançar propagação estável de longa distância da luz com baixa perda em ambientes biológicos. Esses guias de onda biofotônicos baseados em células podem ser realizados como uma sonda biofotônica para imagens de células e detecção de microambiente biológico. Por exemplo, Os guias de onda biofotônicos formados por RBCs fornecem uma técnica de detecção potencial para detecção do pH do sangue e diagnóstico de distúrbios relacionados ao sangue.

As lentes ópticas são outro importante dispositivo óptico projetado para modulação de luz. Interessantemente, algumas células biológicas vivas podem confinar a luz em sistemas biológicos, atuando como bio-microlentes. Um exemplo típico são as cianobactérias, que atuam como microlentes esféricas, confinar a luz em um ponto focal próximo à membrana plasmática na parte traseira da fonte de luz. Em um nível mais alto de complexidade celular, muitas células de mamíferos também exibem comportamento de lente. A deformabilidade intrínseca e a falta de núcleo e organelas tornam as RBC uma espécie de envelope microestruturado em forma de disco que pode ser explorado como bio-microlente adaptável. Uma vez que as anormalidades morfológicas das hemácias estão intimamente associadas às doenças relacionadas ao sangue, RBCs com propriedade de biolensing podem ser explorados como não invasivos, sem etiqueta, e uma ferramenta de triagem rápida para identificar hemácias anormais de casos saudáveis. As células biológicas também foram aplicadas como biomagnificadoras para imagens sem rótulos de células vivas ou outras nanoestruturas.

Essas sondas biofotônicas abrem oportunidades inteiramente novas para pesquisas biofotônicas e também para aplicações biomédicas, por exemplo., bio-lasers para bio-detecção, marcação de células e imagens de tecidos, guias de onda biofotônicos baseados em células vivas para detecção e detecção óptica, e bio-microlentes para imagem de célula única e diagnóstico de sangue. Comparado com componentes fotônicos convencionais, essas sondas biofotônicas apresentam muitas vantagens notáveis. Primeiro, eles oferecem oportunidades inerentes e favoráveis ​​de biocompatibilidade e biodegradabilidade em comparação aos materiais sintéticos tradicionais. Adicionalmente, o desenvolvimento de sondas biofotônicas usando células / tecidos biológicos permite que essas entidades biológicas sirvam simultaneamente como componentes ópticos e amostras de teste, que facilitam a detecção in vivo e em tempo real, detecção, e imagem.

Apesar dos avanços significativos já alcançados, os autores enfatizam que o desenvolvimento geral das sondas biofotônicas ainda está em sua infância e ainda há muito a ser explorado. Eles notaram que mais esforços ainda são necessários para compreender e descobrir a ampla e diversa família de organismos vivos que são adequados para servir como sondas fotônicas. Além do mais, até aqui, a maioria dos conceitos e técnicas foi demonstrada por estudos in vitro ou em animais como prova de conceito. Muito trabalho futuro é necessário para provar a viabilidade em aplicações práticas pré-clínicas e clínicas. Eles também sugeriram que as sondas biofotônicas, por exemplo, bio-microlentes, integrado a uma plataforma baseada em smartphone tem grande potencial em bio-detecção, imagem, diagnóstico molecular com amostras clínicas de forma portátil em tempo real, que é de grande importância em regiões com recursos limitados.