La détection et l'imagerie sensibles dans le bio-microenvironnement sont hautement souhaitées dans les applications biophotoniques et biomédicales. Cependant, les matériaux photoniques conventionnels montrent inévitablement une incompatibilité et un caractère invasif avec les biosystèmes. Pour résoudre ce problème, Des scientifiques chinois ont passé en revue les récents progrès des sondes biophotoniques, y compris les bio-lasers, guides d'ondes biophotoniques, et bio-microlentilles, fabriqués à partir d'entités biologiques avec une biocompatibilité inhérente et une invasivité minimale, avec des applications de biodétection et d'imagerie. Ces sondes biophotoniques ouvrent des fenêtres entièrement nouvelles pour les recherches biophotoniques et les applications biomédicales.

Le développement rapide de la biophotonique et des sciences biomédicales impose une forte demande de structures photoniques capables de manipuler la lumière à petite échelle pour une détection sensible des signaux biologiques et une imagerie précise des structures cellulaires dans le bio-microenvironnement. Malheureusement, les structures photoniques conventionnelles basées sur des matériaux artificiels (soit inorganiques, soit organiques toxiques) montrent inévitablement une incompatibilité et un caractère invasif lors de l'interfaçage avec des systèmes biologiques. La conception de sondes biophotoniques à partir des matériaux naturels abondants, en particulier des entités biologiques telles que virus, cellules et tissus, avec la capacité de manipulation de la lumière multifonctionnelle sur les sites cibles peut considérablement augmenter la biocompatibilité et minimise le caractère invasif du microenvironnement biologique.

Dans un nouvel article publié dans Science de la lumière et application , une équipe de scientifiques, dirigé par le professeur Baojun Li et le professeur Hongbao Xin de l'Institut de nanophotonique, Université de Jinan, Chine, passé en revue les progrès intrigants des sondes biophotoniques émergentes fabriquées à partir d'entités biologiques, comme un virus, bactéries, cellules et tissus, pour la biodétection et l'imagerie. Ils ont systématiquement passé en revue trois sondes biophotoniques aux fonctions optiques différentes, c'est à dire., lasers biologiques pour la génération de lumière, guides d'ondes biophotoniques cellulaires pour le transport de la lumière, et des bio-microlentilles pour la modulation de la lumière.

Pour réaliser leurs applications biomédicales potentielles des sondes photoniques, un contrôle et une modulation efficaces de la génération de lumière sont particulièrement importants dans divers environnements biochimiques. À cet égard, les propriétés uniques de la lumière émise par les lasers, y compris à haute intensité, directivité et émission monochromatique, ont fait des lasers l'un des outils les plus utiles dans les applications biomédicales. Contrairement aux appareils laser traditionnels, les bio-lasers utilisent des entités biologiques telles que des cellules, tissus et virus, en tant que partie de la cavité et/ou du milieu de gain dans un système biologique. Les bio-lasers peuvent être classés en trois types, c'est à dire., lasers cellulaires, lasers tissulaires et lasers viraux. Ces bio-lasers évitent les risques biologiques des dispositifs laser conventionnels. Étant donné que leur sortie optique est étroitement liée aux structures biologiques et aux activités des systèmes biologiques, les bio-lasers peuvent servir d'outils hautement sensibles dans une gamme d'applications biomédicales, y compris le marquage et le suivi cellulaires, Diagnostique, détection intracellulaire, et une nouvelle imagerie. Par exemple, les microdisques WGM (chuchotage Gallery modes) avec des diamètres légèrement différents ont donné des spectres de sortie laser manifestement différents. Les lasers cellulaires intracellulaires réalisés en incorporant ces microdisques dans des cellules ont permis le marquage et le suivi de cellules individuelles à partir de grandes populations cellulaires en même temps.

En plus des bio-lasers pour la bio-détection et l'imagerie dans les systèmes biologiques, les guides d'ondes optiques jouent également un rôle important dans les bio-microenvironnements. En tant que composant principal pour le transport léger, les guides d'ondes optiques peuvent fournir des signaux lumineux dans des bio-microenvironnements pour une analyse plus poussée en temps réel, et les guides d'ondes optiques jouent un rôle irremplaçable pour briser la limite de pénétration tissulaire de la lumière en transportant la lumière dans les tissus profonds. Pour résoudre le problème de l'invasivité et de la faible biocompatibilité des guides d'ondes optiques à base de matériaux conventionnels, les cellules vivantes détiennent un potentiel énorme pour la formation in situ de guides d'ondes biophotoniques qui sont intrinsèquement élastiques, biocompatible, et biodégradable. L'indice de réfraction de la cellule biologique (environ 1,38) est légèrement supérieur à celui de l'eau (environ 1,33), permettant ainsi le guidage de la lumière à travers une chaîne de cellules par réflexion interne totale à l'interface de la membrane cellulaire et de l'eau. Une approche réalisable et non invasive pour assembler des guides d'ondes biophotoniques à base de cellules est le piégeage optique. En utilisant la lumière laser lancée par une fibre optique effilée, les guides d'ondes biophotoniques peuvent être formés en assemblant une chaîne de cellules bactériennes par force optique. La propagation de la lumière est autorisée à travers des chaînes cellulaires sur des dizaines de microns. Dans un autre cas, des effets optiques non linéaires ont également été appliqués pour la formation de guides d'ondes biophotoniques à base de cellules vivantes, y compris les algues et les globules rouges (GR), obtenir une propagation stable à longue distance de la lumière avec une faible perte dans les environnements biologiques. Ces guides d'ondes biophotoniques à base de cellules peuvent être utilisés comme sonde biophotonique pour l'imagerie cellulaire et la détection du microenvironnement biologique. Par exemple, les guides d'ondes biophotoniques formés par les globules rouges constituent une technique de détection potentielle pour la détection du pH sanguin et le diagnostic des troubles liés au sang.

Les lentilles optiques sont un autre dispositif optique important conçu pour la modulation de la lumière. De façon intéressante, certaines cellules biologiques vivantes peuvent confiner la lumière dans les systèmes biologiques, agissant comme des bio-microlentilles. Un exemple typique est celui des cyanobactéries, qui agissent comme des microlentilles sphériques, confiner la lumière dans un point focal près de la membrane plasmique à l'arrière de la source lumineuse. À un niveau supérieur de complexité cellulaire, de nombreuses cellules de mammifères présentent également un comportement de lentille. La déformabilité intrinsèque et l'absence de noyau et d'organites font des RBC une sorte d'enveloppe microstructurée en forme de disque exploitable comme bio-microlentille adaptable. Étant donné que les anomalies morphologiques des globules rouges sont étroitement liées aux maladies liées au sang, Les globules rouges dotés d'une propriété de biolentille peuvent être exploités en tant que produit non invasif, sans étiquette, et un outil de dépistage rapide pour identifier les globules rouges anormaux des cas sains. Les cellules biologiques ont également été utilisées comme bioloupe pour l'imagerie sans marquage de cellules vivantes ou d'autres nanostructures.

Ces sondes biophotoniques ouvrent de toutes nouvelles perspectives pour les recherches biophotoniques mais aussi pour les applications biomédicales, par exemple., bio-lasers pour la bio-détection, marquage cellulaire et imagerie tissulaire, des guides d'ondes biophotoniques à base de cellules vivantes pour la détection et la détection optiques, et les bio-microlentilles pour l'imagerie unicellulaire et les diagnostics sanguins. Par rapport aux composants photoniques conventionnels, ces sondes biophotoniques présentent de nombreux avantages remarquables. D'abord, ils offrent des opportunités inhérentes et favorables de biocompatibilité et de biodégradabilité par rapport aux matériaux synthétiques traditionnels. En outre, le développement de sondes biophotoniques utilisant des cellules/tissus biologiques permet à ces entités biologiques de servir à la fois de composants optiques et d'échantillons de test, qui facilitent la détection in vivo et en temps réel, détection, et l'imagerie.

Malgré les progrès importants déjà réalisés, les auteurs soulignent que le développement global des sondes biophotoniques n'en est qu'à ses balbutiements et qu'il reste encore beaucoup à explorer. Ils ont noté que davantage d'efforts sont encore nécessaires pour bien comprendre et découvrir la famille large et diversifiée d'organismes vivants qui conviennent pour servir de sondes photoniques. Outre, jusque là, la plupart des concepts et des techniques ont été démontrés par des études in vitro ou animales comme preuve de concept. De nombreux travaux futurs sont nécessaires pour prouver la faisabilité dans des applications pratiques précliniques et cliniques. Ils ont également suggéré que les sondes biophotoniques, par exemple, bio-microlentilles, intégré dans une plateforme basée sur smartphone a un grand potentiel en bio-détection, imagerie, diagnostic moléculaire avec des échantillons cliniques de manière portable en temps réel, qui est d'une grande importance dans les régions à ressources limitées.