生物探测与成像：生物光子探针

撰稿 | 潘婷（暨南大学）

说明 | 本文由论文作者（课题组）投稿

近年来，随着生物光子学和生物医学的蓬勃发展，光学检测技术为在活细胞及复杂的生物体中生物信号及生物过程的实时检测及可视化提供了强大的工具。相较于其他检测及成像技术，光学检测技术具有实时、原位、非入侵性、无损等优点。

生物光子学和生物医学的快速发展对能用于光学探测与成像的高生物兼容的光子器件提出了极大的需求。然而，基于传统材料的光子器件由于其生物兼容性差，难以避免地会对生物系统造成生物损伤。

大自然中广泛存在的活的生命体如病毒、藻类、细菌、哺乳动物细胞及组织等，为构建高生物兼容的光子器件提供了丰富的思路。基于这些活的生命体构建的生物光子探针能够直接用于生物系统，以极高的生物相容性和非侵害性在靶向位置进行多功能光场调控，进一步进行高灵敏的生物探测与高精度生物成像。

生物光子探针的出现为生物光子学和生物医学的发展开辟新的道路，但在生物探测与成像等领域的应用还存在非常大的挑战。

为此，来自暨南大学纳米光子学研究院的李宝军教授和辛洪宝教授研究团队结合前期的工作基础，以 Biophotonic probes for bio-detection and imaging 为题在 Light: Science& Applications 发表综述文章，回顾了近年来了生物光子探针在生物探测与成像的应用。

该综述系统总结了基于病毒、细胞、活体组织等不同生命体的生物光子探针从光的产生、到光的传输与光的调制的不同光学功能，探讨了这些生物光子探针作为生物激光器、生物光波导、生物微透镜等光子器件在生物探测与成像等领域的应用（图1）。在此基础上，展望了生物光子探针在生物光子学与生物医学领域所面临的机遇与挑战。

生物激光器

激光在生物医学领域的应用可以追溯到上个世纪50年代，因其优异的特异性如实时、无创、窄波长、较佳的成像对比度等，近年来在生物医学领域已得到广泛应用。

一般而言，激光的产生需要三要素：泵浦源、工作介质（增益介质）以及光学谐振腔。与传统激光器不同的是，生物激光器采用具有极高生物相容性的病毒、活细胞或组织等生物材料作为增益介质或谐振腔载体。通过基因工程技术让细胞或病毒自身表达荧光蛋白、或采用荧光染料对生命体进行标记，其可作为增益介质在谐振腔中产生激光。由于生物激光器的输出信号与细胞组织的生理特征紧密相连，这类激光器可实现高灵敏的生物探测与高精度生物成像。

根据最新研究进展，我们总结了三种主要的生物激光器：细胞激光器、组织激光器及病毒激光器。

细胞激光器可根据谐振腔的位置分为细胞外激光器（谐振腔位于细胞外部）和细胞内激光器（谐振腔位于细胞内部）。细胞外激光器通过将荧光标记的活细胞或细菌置于由两个平行放置的平面反射镜组成的法布里-珀罗（F-P）谐振腔（拓展：名词解释）中，当采用特定波长的光源激发细胞时，细胞会发出激光，而且在此过程中细胞不会受到损伤（图2a）。

细胞外激光器必须使用外加的谐振腔，因而不利于将激光器植入活体内。而细胞内激光器可通过在活细胞内引入回音壁模式光学微腔（拓展：名词解释），从而获得自带谐振腔的细胞激光器。

拓展阅读：《综述：回音壁模式激光生物传感》

这种回音壁模式光学微腔可以是混合了荧光染料的脂滴（图2b），亦或是具有高折射率的回音壁微球腔，如荧光掺杂的聚苯乙烯微球（图2c）。然而，虽然这类回音壁模式光学微腔可实现高灵敏度的细胞内激光输出，但其较大的尺寸（微米级）很可能会对细胞的生理功能产生不可忽视的影响。解决这一问题的办法是可将纳米级的激光器（如CdS半导体纳米线或者金纳米线等离激元激光器）嵌入细胞质中（图2d），可在不影响细胞健康及正常生理功能的情况下实现活细胞实时监测及成像。

除了生物细胞，多细胞结构的活体组织同样可以采用上述类似的技术构建生物激光器（也即组织激光器）。例如，通过将荧光标记的聚苯乙烯微球植入哺乳动物活组织样本中，分别实现了眼角膜，血液和皮肤表面下200微米深处的激光发射（图3a）。另一种较为典型的组织激光器是将组织样本置于F-P谐振腔中构建的“激光发射显微镜（LEM）”（图3b）。与荧光显微镜相比，激光发射显微镜具有窄线宽（发射光谱 < 0.1nm），低阈值和高信噪比（信噪比>50）等优势，从而实现超灵敏检测，具有出色的图像对比度和更高的光谱/空间分辨率。另外，通过对组织细胞的DNA和蛋白进行特异性荧光标记，可实现多重激光，可同时检测多个靶点。

除了生物细胞和组织外，病毒也可以用作生物激光器的载体。例如，噬菌体是一类特异性侵袭细菌的病毒，对人体安全无害。在噬菌体外壳蛋白标记荧光染料可获得基于噬菌体的病毒激光器。进一步通过噬菌体展示技术（拓展：名词解释），可在噬菌体的外壳蛋白上修饰不同种类的抗体，实现对多种目标生物分子的高灵敏检测。检测极限可达到90 fmol mL⁻¹。

由于生物激光器的发射谱与生命体微结构和生理性能息息相关，目前生物激光器在细胞示踪、细胞内部微环境检测、组织结构成像和疾病诊断等领域展现出了巨大的应用潜力。

例如，通过组织激光发射显微镜，可区分来自患者的正常组织及I / II期肺癌组织、人类结肠、胃、乳房癌变组织，特异性达100%，灵敏度达95%以上。

另外，值得一提的是，传统的荧光探针发射波长较宽，这一特点导致其无法同时实现对多细胞实时追踪。生物激光器可使用不同发射波段的荧光染料掺杂微球，结合使用不同尺寸的微球单独标记靶向细胞，可同时追踪上千个细胞，并进行目标组织细胞的定位。

活细胞组装的生物光波导

生物组织对可见光和近红外光通常呈现出低透明和高散射的特点，因此光在人体组织中穿透深度较浅，这极大限制了在人体内部实时光学检测与成像的实际临床应用。传统医学检查理论中，一般采用玻璃纤维制的光纤将光输送到体内。然而如果人们一旦使用玻璃光纤深入生物组织，玻璃质脆且不可生物降解。植入体内会破坏和损伤组织。而且对于药物活化、光学成像、疾病诊断等医学检查来说，玻璃制光纤传输信息是不现实的。

细胞是体内大量存在的天然材料，利用细胞构建生物光波导为解决上述问题提供了一个很好的思路。细胞折射率约为1.38，略高于水的折射率（约为1.33）。因此，将单个细胞组装成一串细胞链，理论上光可通过在细胞膜和水的界面上形成全内反射（拓展：名词解释），从而沿着细胞链传输，形成基于活细胞的生物光波导。

目前主要有两种利用活细胞组装生物光波导的方法：

第一种就是光学捕获技术实现生物光波导的组装。这种方法可通过光力无损捕获并操控组装活细胞。例如，将波长为980 nm的近红外激光通入锥形光纤探针，利用光纤尖端出射光产生的光梯度力可将多个悬浮在液体中的细胞装成一串有序的波导（图4a），长度可通过改变光功率大小调控。这种用细胞组成的生物光波导不但具有很好的生物相容性，而且可作为待测样本直接在生物组织内部进行检测成像。例如，通过测量红细胞波导的光传播模式，可以实时探测血液中pH的变化（图4b）。

另一种组装细胞光波导的方法是利用光的非线性效应引发的细胞自聚集效应。当光束通过时，细菌溶液或人体血细胞溶液中的细胞会在光梯度力和散射力的共同作用下自发聚集到光束中心，形成生物光波导，并且大大降低了光束的发散（图4c和4d）。这种生物光波导组装长度可达到4 cm左右，并且光传输损耗可低至0.14 dB mm⁻¹。未来也许可以利用这种原位组装的长距离细胞光波导实现非侵入性的医学诊断。

活细胞构建的生物微透镜

光学透镜是进行光场调制的重要光学器件，具有汇聚或发散光束的功能。令人意想不到的是，许多天然的生物活细胞可作为生物微透镜在生物系统中发挥聚焦光束的功能。例如，研究发现蓝藻细菌的趋光性很可能源于其透镜效应。球形的蓝藻细菌可作为微透镜将光束聚焦到细胞膜附近，膜上的光感受器感受到光刺激后激活鞭毛，拖动细胞向光源方向移动（图5a）。蓝藻很可能是地球上最小并且最古老的细胞微透镜。其它活细胞，如酵母细胞、红细胞等，同样可以作为生物微透镜发挥光调制的功能。

活细胞微透镜可作为生物放大镜用于无损光学生物成像。例如，通过在锥形光纤末端捕获一个细胞，被捕获的细胞形成了一个天然的生物放大镜，可以以100 nm的分辨率放大纳米结构（图5b）。另外，这种生物放大镜还可形成一个纳米光学势阱，精确地操纵半径为50纳米的单个纳米颗粒。该技术为无机械或光热损伤的生物纳米材料光学成像、传感和组装提供了一种高精度的工具。

人成熟的红细胞无细胞核和细胞器，且具有独特的延展性和可变形性，因此可作为一种可变焦的生物微透镜（图5c）。更为重要的是，红细胞的异常形态在临床上可作为血液相关疾病诊断的重要依据。通过将红细胞的透镜效应与其它成像技术相结合，可实现一种非入侵式、无需标记的红细胞形态检测手段。如利用红细胞的透镜效应和定量相位成像技术，可精确获得红细胞的三维形貌结构，并诊断出多种红细胞形态异常疾病（图5d）。

挑战与展望

该论文系统探讨了基于活的生命体的生物光子探针在生物检测与成像领域的最新进展。我们从光的产生、光的传输与光的调制三个方面总结了这些生物光子探针作为生物激光器、生物光波导、生物微透镜等光子器件的构建技术与应用。与此同时，我们也探讨了生物光子探针在生物检测与成像等领域的实际临床应用未来所面临的关键挑战。

对于生物激光器，一方面要考虑如何在不损伤活细胞的前提下降低阈值；另一方面，由于近红外二区光对生物样本损伤较小并且具有更深组织穿透性，未来开发可用近红外二区光激发的生物激光器有益于推动其向临床应用转化。

对于生物光波导，开发新的活细胞组装技术，以获得具有更长的传输距离、且稳定可灵活移动操控的细胞光波导是关键。

对于生物微透镜，由于细胞的形态及光学性质受环境影响较大，因此基于细胞微透镜的光学调制为精准实时生物光学检测将带来新的思路。此外，如果能将生物微透镜集成于智能手机平台，这将为生物医学的实时监测与血液诊断提供便携式新方法。

虽然基于活的生命体的生物光子探针仍处于初期研究探索阶段，我们认为其在未来的生物医学应用中一定有独特的优势，并为生物光子学和生物医学的发展开辟新的道路。

希望本文的综述能为科研人员深化生物光子探针的研究提供广阔而全面的视角。

论文信息：

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

论文地址:

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

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编辑 | 赵阳

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