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用於活體生物傳感器和微馬達的紅細胞光波導技術,可實現精準醫學

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2020-01-14 18:13 / 0人閱讀過此篇文章  

治療診斷學(Theranostics)是單詞治療學(therapeutics)和診斷學(diagnostics)的組合,描述了一種用於癌症治療的集成治療平台,該平台可以在單一過程內診斷出腫瘤,提供靶向治療並監測對治療的反應。治療診斷醫學是邁向個性化醫療的重要一步,具有同時、實時監測藥物輸送、藥物作用和治療反應的潛力。

由於其高空間解析度和靈活性,可以感測和驅動生物環境的光學生物傳感器和微馬達被認為是有前景的治療診斷器件。

據麥姆斯諮詢報導,中國研究人員將治療診斷學從合成傳感器發展到了活體材料(通常與生物系統不兼容),他們利用體內紅細胞(red blood cell, RBC)波導組裝了活體生物傳感器和微馬達,用於pH傳感和顆粒運輸。

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

暨南大學(Jinan University)納米光子學研究所(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於診斷與pH相關的血液疾病,波導可以像微馬達一樣旋轉,將微粒傳輸到目標區域。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限制在兩根錐形光纖探針(可用於捕獲細胞、引導光和收集信號)的光軸內。紅細胞波導的光傳播模式與紅細胞的形態有關,紅細胞的形態則取決於血液的pH值。

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

因此,紅細胞波導可用於pH傳感並揭示由pH值引起的血液疾病。測量後,將光扭矩(由兩根光纖探針的相干輸出光誘導)施加到紅細胞波導,使其連續旋轉,將微粒傳輸到微流控毛細管內的目標位置。

從下圖是實驗照片,在紅細胞微馬達旋轉期間,毛細管內部的微粒向前傳輸,因為紅細胞微馬達可以利用其驅動力引起局部流動。

微馬達的旋轉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,轉速為150 rpm,可在1.5秒內傳輸25 µm的微粒。

為了擴展其潛在應用,該團隊還成功組裝和操控了斑馬魚血管中的紅細胞波導。

Li指出,「與體外組裝紅細胞波導相比,由於生物系統內部複雜的生理環境,包括血流和高散射組織,體內組裝更為困難。」

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

如下圖所示,兩個980 nm的雷射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雷射束聚焦,在光梯度力作用下被束縛到一維波導中。

紅細胞波導在斑馬魚體內的光學組裝示意圖。插圖顯示了實驗中使用的斑馬魚的光學圖像。b)魚血管內紅細胞波導的光學組裝示意圖。

Li總結道,「我們的實驗表明,紅細胞波導可以在活體血管中可控組裝,並凸顯了該技術在體內的潛力。在我們用斑馬魚做過實驗之後,下一步我們將嘗試在人體內部組裝一個生物傳感器和微馬達。」


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