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(tái)，該平臺(tái)可以在單一過(guò)程內(nèi)診斷出腫瘤，提供靶向治療并監(jiān)測(cè)對(duì)治療的反應(yīng)。治療診斷醫(yī)學(xué)是邁向個(gè)性化醫(yī)療的重要一步，具有同時(shí)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)和驅(qū)動(dòng)生物環(huán)境的光學(xué)生物傳感器和微馬達(dá)被認(rèn)為是有前景的治療診斷器件。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，中國(guó)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(xì)胞(red blood cell, RBC)波導(dǎo)組裝了活體生物傳感器和微馬達(dá)，用于pH傳感和顆粒運(yùn)輸。

科學(xué)家們?cè)凇断冗M(jìn)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(dá)的紅細(xì)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(dá)一樣旋轉(zhuǎn)，將微粒傳輸?shù)侥繕?biāo)區(qū)域。與合成傳感器和馬達(dá)相比，紅細(xì)胞生物傳感器和微馬達(dá)具有高度的生物相容性、靈活性和非侵入性。”

該團(tuán)隊(duì)通過(guò)光梯度力將紅細(xì)胞波導(dǎo)限制在兩根錐形光纖探針(可用于捕獲細(xì)胞、引導(dǎo)光和收集信號(hào))的光軸內(nèi)。紅細(xì)胞波導(dǎo)的光傳播模式與紅細(xì)胞的形態(tài)有關(guān)，紅細(xì)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(xì)管中的光學(xué)傳輸，a1)紅細(xì)胞微馬達(dá)，由相干輸出光引起的光扭矩驅(qū)動(dòng);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(xì)胞波導(dǎo)可用于pH傳感并揭示由pH值引起的血液疾病。測(cè)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(xì)胞波導(dǎo)，使其連續(xù)旋轉(zhuǎn)，將微粒傳輸?shù)轿⒘骺孛?xì)管內(nèi)的目標(biāo)位置。

從下面的視頻中可以看到，在紅細(xì)胞微馬達(dá)旋轉(zhuǎn)期間，毛細(xì)管內(nèi)部的微粒向前傳輸，因?yàn)榧t細(xì)胞微馬達(dá)可以利用其驅(qū)動(dòng)力引起局部流動(dòng)。

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

為了擴(kuò)展其潛在應(yīng)用，該團(tuán)隊(duì)還成功組裝和操控了斑馬魚血管中的紅細(xì)胞波導(dǎo)。

Li指出，“與體外組裝紅細(xì)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。”

該團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)中選擇斑馬魚進(jìn)行紅細(xì)胞波導(dǎo)的體內(nèi)組裝，因?yàn)樗鼈兊奈舶褪枪鈱W(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(gè)980 nm的激光束通過(guò)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(xì)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(xì)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(shí)驗(yàn)中使用的斑馬魚的光學(xué)圖像。b)魚血管內(nèi)紅細(xì)胞波導(dǎo)的光學(xué)組裝示意圖。

Li總結(jié)道，“我們的實(shí)驗(yàn)表明，紅細(xì)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(guò)實(shí)驗(yàn)之后，下一步我們將嘗試在人體內(nèi)部組裝一個(gè)生物傳感器和微馬達(dá)。”