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我国研发活体生物传感器和红细胞光波导技术,有望实现精准医学

文章来源:麦姆斯咨询 作者:殷飞 点击:次 时间:2020/1/14 15:54:24

治疗诊断学(Theranostics)是单词治疗学(therapeutics)和诊断学(diagnostics)的组合,描述了一种用于癌症治疗的集成治疗平台,该平台可以在单一过程内诊断出肿瘤,提供靶向治疗并监测对治疗的反应。治疗诊断医学是迈向个性化医疗的重要一步,具有同时、实时监测药物输送、药物作用和治疗反应的潜力。

由于其高空间分辨率和灵活性,可以感测和驱动生物环境的光学生物传感器和微马达被认为是有前景的治疗诊断器件。

据麦姆斯咨询报道,中国研究人员将治疗诊断学从合成传感器发展到了活体材料(通常与生物系统不兼容),他们利用体内红细胞(red blood cell, RBC)波导组装了活体生物传感器和微马达,用于pH传感和颗粒运输。

科学家们在《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)期刊上发表了他们的研究成果《用于活体生物传感器和微马达的红细胞波导》

暨南大学(Jinan University)纳米光子学研究所(Institute of Nanophotonics)副教授,论文第一作者Yuchao Li表示,“我们的活体生物传感器可用于诊断与pH相关的血液疾病,波导可以像微马达一样旋转,将微粒传输到目标区域。与合成传感器和马达相比,红细胞生物传感器和微马达具有高度的生物相容性、灵活性和非侵入性。”

该团队通过光梯度力将红细胞波导限制在两根锥形光纤探针(可用于捕获细胞、引导光和收集信号)的光轴内。红细胞波导的光传播模式与红细胞的形态有关,红细胞的形态则取决于血液的pH值。


示意图显示了微粒在微流体毛细管中的光学传输,a1)红细胞微马达,由相干输出光引起的光扭矩驱动;a2)两根光纤探针。红色箭头指示旋转方向,θ指示旋转角度

因此,红细胞波导可用于pH传感并揭示由pH值引起的血液疾病。测量后,将光扭矩(由两根光纤探针的相干输出光诱导)施加到红细胞波导,使其连续旋转,将微粒传输到微流控毛细管内的目标位置。

从下面的视频中可以看到,在红细胞微马达旋转期间,毛细管内部的微粒向前传输,因为红细胞微马达可以利用其驱动力引起局部流动。

微马达的旋转速度与输入光功率成线性比例,在50 mW时可达560 rpm的最大速度。在15 mW时,转速为150 rpm,可在1.5秒内传输25 μm的微粒。

为了扩展其潜在应用,该团队还成功组装和操控了斑马鱼血管中的红细胞波导。

Li指出,“与体外组装红细胞波导相比,由于生物系统内部复杂的生理环境,包括血流和高散射组织,体内组装更为困难。”

该团队在实验中选择斑马鱼进行红细胞波导的体内组装,因为它们的尾巴是光学透明的,因此可以在光学显微镜下观察到它们的血管。

如下图所示,两个980 nm的激光束通过纤维探针聚焦在鱼尾巴的血管上,该纤维探针被放置在鱼的上方,探针尖端距离皮肤表面约10 μm。

鱼血管中的红细胞被激光束聚焦,在光梯度力作用下被束缚到一维波导中。


红细胞波导在斑马鱼体内的光学组装示意图。插图显示了实验中使用的斑马鱼的光学图像。b)鱼血管内红细胞波导的光学组装示意图。

Li总结道,“我们的实验表明,红细胞波导可以在活体血管中可控组装,并凸显了该技术在体内的潜力。在我们用斑马鱼做过实验之后,下一步我们将尝试在人体内部组装一个生物传感器和微马达。”

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