کاوشگرهای بیوفوتونیک برای تشخیص و تصویربرداری زیستی

معرفی

تشخیص حساس سیگنالهای بیولوژیکی و مشاهده دقیق تغییرات پاتولوژیک برای تشخیص و درمان زودهنگام بیماریهای عفونی ، سرطان و سایر اختلالات سلامتی از اهمیت بالایی برخوردار است. با این حال ، به دلیل کم بودن تعداد سیگنال های بیوشیمیایی و ریز محیط پیچیده در سیستم های بیولوژیکی ، تشخیص اهداف مورد علاقه چالش برانگیز است.   خوشبختانه توسعه موثر فناوری های نوری و فوتونی در سال های اخیر انتخاب های زیادی را برای تشخیص و تصویربرداری نوری فراهم می کند و وعده های بزرگی را برای تجسم زمان واقعی سیگنال های بیولوژیکی در ساختارها و فرایندهای بیولوژیکی پیچیده به همراه دارد. تشخیص نوری از پاسخ های نوری مانند جذب نور ، پراکندگی ، فلورسانس و بازتاب استفاده می کند که ناشی از تغییرات بیوفیزیکی/بیوشیمیایی برای شناسایی زیستی و تشخیص بیماری است. با توجه به ماهیت ذاتی عاری از برچسب ، تشخیص نوری جایگزین قدرتمندی برای تکنیک های تشخیص معمولی (به عنوان مثال ، جرم یا الکتروشیمیایی) است 4،5،6،7. با استفاده از تکنیک های تشخیص نوری ، سیگنال های زمان واقعی طیف وسیعی از نمونه های آزمایش بیولوژیکی (از نشانگرهای زیستی مولکولی گرفته تا عوامل بیماری زا و سلول ها و حتی بافت ها و اندام ها) را می توان به صورت غیر تهاجمی با حساسیت بالا و وضوح بالا به دست آورد. ، 9،10،11،12. تا به امروز ، تشخیص و تصویربرداری نوری یکی از قوی ترین فناوری ها برای تشخیص سیگنال های بیولوژیکی و تشخیص بیماری های مختلف ، از جمله بیماری های عفونی ، سرطان و سایر اختلالات است. به

برای تشخیص نوری دقیق و انعطاف پذیر در محیط زیست بیولوژیکی ، پروب های فوتونی با ریز/نانوساختارها همیشه مطلوب هستند. برای این منظور ، انتخاب مواد نوری مناسب قطعاً بسیار مهم است ، زیرا عملکرد کاوشگر تا حد زیادی به خواص شیمیایی و مکانیکی آنها ، عملکردهای نوری و عملکردهای بیولوژیکی بستگی دارد. تا به امروز ، متداول ترین مواد برای مونتاژ اجزای فوتونی چند منظوره و پروب های فوتونی عمدتا بر اساس مواد غیر آلی مانند شیشه سیلیس 20،21،22،23 و یا پلیمرهای آلی مانند نانوسیم های پلیمری 24،25 است. به دلیل خواص نوری عالی مانند شفافیت بالا و استحکام مکانیکی مناسب ، این مواد برای دستگاههای یکپارچه نانوفوتونیک در زمینه های متنوع کاربرد استفاده شده است. به عنوان مثال ، موجبرهای نوری بر اساس فیبرهای نوری سیلیس به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته اند و حتی برای کاشت در بدن حیوانات ، به ویژه ایمپلنت های فیبر نوری در مغز ، برای مطالعات اپتوژنتیک استفاده شده اند. با این حال ، معایب اصلی این اجزای فوتونی بر اساس مواد سنتی ، سازگاری زیستی و تجزیه پذیری زیستی پایین است ، که پتانسیل آنها را در کاربردهای زیست پزشکی بسیار محدود می کند. سازگاری زیستی بالا یک ماده ضروری برای کاربردهای in vivo است که مستلزم عدم وجود سمیت و تهدید کم سلامتی برای سیستم های زنده است 29. علاوه بر این ، سازگاری زیستی بالا همچنین به عملکردهای زیستی اشاره دارد که ایمپلنت ها می توانند عملکردهای مورد انتظار خود را در داخل بدن انجام دهند. علاوه بر این ، تجزیه بیولوژیکی یکی دیگر از ضروریات ضروری است ، زیرا مواد می توانند بدون نیاز به عملیات اضافی برای برداشتن ایمپلنت ها توسط بدن تجزیه و متابولیزه شوند.

با وجود مواد بیولوژیکی فراوان و موجودات بیولوژیکی ، مادر طبیعت همیشه ما را برای طراحی ساختارها و کاوشگرهای فوتونی برای دستکاری نور الهام می دهد. در واقع ، سلولهای زنده و موجودات میکروسکوپی و مشتقات آنها مانند DNA ، پروتئین ها ، ابریشم و سلولز و همکاران ، قابلیت های متفاوتی برای تعامل با نور نشان می دهند و می توانند بعنوان دستگاه های مختلف فوتونیک مانند راهنمای موج ، میکرولنزها ، توری ها و حتی لیزر 31،32،33،34،35،36،37. این مواد زیستی طبیعی و موجودات بیولوژیکی نوید بزرگی برای ایجاد کاوشگرهای فوتونی جدید برای تشخیص زیستی ، تصویربرداری و کاربردهای درمانی می دهند. آنها ذاتاً دارای عملکردهای بیولوژیکی عالی هستند ، از جمله عدم تهاجم ، سازگاری زیستی بالا ، تجزیه پذیری زیستی و قابلیت جذب. علاوه بر این ، یکی دیگر از ویژگیهای جالب موجودیتهای بیولوژیکی مانند ویروس ، سلولها و بافتها ، توانایی آنها در خدمت همزمان به عنوان دستگاههای نوری و نمونه تشخیصی است که تشخیص و تصویربرداری بیشتر در زمان واقعی را در محیطهای ریز سازگار با محیط زیست تسهیل می کند. بنابراین ، به جای مواد و مولکول های زیستی (مانند پروتئین ها و اسیدهای نوکلئیک) ، کاوشگرهای بیوفوتونیک معرفی شده در این مقاله عمدتا بر موجودات بیولوژیکی بزرگ مانند ویروس ، باکتری ، قارچ ، جلبک ، سلول ها و بافت های پستانداران متمرکز شده اند. این پروب های بیوفوتونیک با ترجمه اصول بیولوژیکی به طرح های ساخته شده توسط بشر ، یک رابط بدون درز بین جهان های نوری و بیولوژیکی را ارائه می دهند.

در حالی که پیشرفت ها در ساختارهای بیوفوتونیک عملکردی بر اساس مواد زیستی الهام گرفته از مواد طبیعی و همچنین مواد مصنوعی را می توان در چندین بررسی پیدا کرد ، 19،30،40،41 ،