我國研發(fā)活體生物傳感器和紅細胞光波導(dǎo)技術(shù)，有望實現(xiàn)精準醫(yī)學(xué)

治療診斷學(xué)(Theranostics)是單詞治療學(xué)(therapeutics)和診斷學(xué)(diagnostics)的組合，描述了一種用于癌癥治療的集成治療平臺，該平臺可以在單一過程內(nèi)診斷出腫瘤，提供靶向治療并監(jiān)測對治療的反應(yīng)。治療診斷醫(yī)學(xué)是邁向個性化醫(yī)療的重要一步，具有同時、實時監(jiān)測藥物輸送、藥物作用和治療反應(yīng)的潛力。

由于其高空間分辨率和靈活性，可以感測和驅(qū)動生物環(huán)境的光學(xué)生物傳感器和微馬達被認為是有前景的治療診斷器件。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，中國研究人員將治療診斷學(xué)從合成傳感器發(fā)展到了活體材料(通常與生物系統(tǒng)不兼容)，他們利用體內(nèi)紅細胞(red blood cell, RBC)波導(dǎo)組裝了活體生物傳感器和微馬達，用于pH傳感和顆粒運輸。

科學(xué)家們在《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)期刊上發(fā)表了他們的研究成果《用于活體生物傳感器和微馬達的紅細胞波導(dǎo)》

暨南大學(xué)(Jinan University)納米光子學(xué)研究所(Institute of Nanophotonics)副教授，論文第一作者Yuchao Li表示，“我們的活體生物傳感器可用于診斷與pH相關(guān)的血液疾病，波導(dǎo)可以像微馬達一樣旋轉(zhuǎn)，將微粒傳輸?shù)侥繕藚^(qū)域。與合成傳感器和馬達相比，紅細胞生物傳感器和微馬達具有高度的生物相容性、靈活性和非侵入性。”

該團隊通過光梯度力將紅細胞波導(dǎo)限制在兩根錐形光纖探針(可用于捕獲細胞、引導(dǎo)光和收集信號)的光軸內(nèi)。紅細胞波導(dǎo)的光傳播模式與紅細胞的形態(tài)有關(guān)，紅細胞的形態(tài)則取決于血液的pH值。

示意圖顯示了微粒在微流體毛細管中的光學(xué)傳輸，a1)紅細胞微馬達，由相干輸出光引起的光扭矩驅(qū)動;a2)兩根光纖探針。紅色箭頭指示旋轉(zhuǎn)方向，θ指示旋轉(zhuǎn)角度

因此，紅細胞波導(dǎo)可用于pH傳感并揭示由pH值引起的血液疾病。測量后，將光扭矩(由兩根光纖探針的相干輸出光誘導(dǎo))施加到紅細胞波導(dǎo)，使其連續(xù)旋轉(zhuǎn)，將微粒傳輸?shù)轿⒘骺孛毠軆?nèi)的目標位置。

從下面的視頻中可以看到，在紅細胞微馬達旋轉(zhuǎn)期間，毛細管內(nèi)部的微粒向前傳輸，因為紅細胞微馬達可以利用其驅(qū)動力引起局部流動。

微馬達的旋轉(zhuǎn)速度與輸入光功率成線性比例，在50 mW時可達560 rpm的最大速度。在15 mW時，轉(zhuǎn)速為150 rpm，可在1.5秒內(nèi)傳輸25 μm的微粒。

為了擴展其潛在應(yīng)用，該團隊還成功組裝和操控了斑馬魚血管中的紅細胞波導(dǎo)。

Li指出，“與體外組裝紅細胞波導(dǎo)相比，由于生物系統(tǒng)內(nèi)部復(fù)雜的生理環(huán)境，包括血流和高散射組織，體內(nèi)組裝更為困難?！?/p>

該團隊在實驗中選擇斑馬魚進行紅細胞波導(dǎo)的體內(nèi)組裝，因為它們的尾巴是光學(xué)透明的，因此可以在光學(xué)顯微鏡下觀察到它們的血管。

如下圖所示，兩個980 nm的激光束通過纖維探針聚焦在魚尾巴的血管上，該纖維探針被放置在魚的上方，探針尖端距離皮膚表面約10 μm。

魚血管中的紅細胞被激光束聚焦，在光梯度力作用下被束縛到一維波導(dǎo)中。

紅細胞波導(dǎo)在斑馬魚體內(nèi)的光學(xué)組裝示意圖。插圖顯示了實驗中使用的斑馬魚的光學(xué)圖像。b)魚血管內(nèi)紅細胞波導(dǎo)的光學(xué)組裝示意圖。

Li總結(jié)道，“我們的實驗表明，紅細胞波導(dǎo)可以在活體血管中可控組裝，并凸顯了該技術(shù)在體內(nèi)的潛力。在我們用斑馬魚做過實驗之后，下一步我們將嘗試在人體內(nèi)部組裝一個生物傳感器和微馬達?！?/p>