【Adv.Mater】用于体内生物标志物检测的光控虚拟微传感器|暨南大学

An Optically Controlled Virtual Microsensor for Biomarker Detection In Vivo

Advanced Materials ( IF 32.086 ) 

Pub Date : 2022-09-08

DOI: 10.1002/adma.202205760

目前用于活体生物标记物实时分析的技术，如针状微电极和基于外源性造影剂的分子成像方法，在侵入性检测或缺乏对成像探针的主动控制方面仍面临巨大挑战。本研究将针状微电极的设计理念与荧光成像方法相结合，开发了一种用于活体生物标志物检测的新技术——“光控虚拟微传感器”(OCViM)。

OCViM是由特殊形状的激光束和荧光纳米探针有机集成而成，它们分别作为虚拟手柄和传感器尖端。激光束可以以可编程的方式捕获和操纵纳米探针，同时激发纳米探针产生荧光发射，用于生物传感。在此基础上，实现了纳米探针在体内无创的完全主动控制，通过在多个位置之间移动纳米探针，可以实现亚微米分辨率的多点检测。利用OCViM技术研究活斑马鱼血栓中生物标志物的过表达和不均一分布，进而用于抗血栓药物的评价。OCViM可为血栓进展的机制研究和抗血栓药物的评价提供有力的工具。

生物标志物的实时检测对于研究生物机体的生理和病理过程具有重要意义，为此发展了许多技术，如针状微电极和分子成像方法。针状微电极被广泛认可，因为它可以提供生物样品中的生物标记物的直接测量。例如，针状氧电极被称为描述组织氧合的“金标准”然而，针型微电极的测量是有创的，当需要多点检测时，这种情况会更加严重。此外，由于在刚度上的妥协，传感器尖端的尺寸通常只能减少到几十到几百微米，从而限制了检测的空间分辨率。

另一方面，分子成像方法可以通过使用适当的成像探针对动物体内的生物标志物水平进行无创监测分子成像的空间分辨率随成像方式的不同而不同，例如使用荧光显微镜可以很容易达到亚微米分辨率。但与针状微电极的传感器尖端完全由物理手柄控制不同，分子成像探针在给药后通常是被动地传递到动物体内，即使经过靶向基团修饰。到目前为止，一种既能主动控制检测探针又能在亚微米分辨率下进行无创检测的体内检测技术很少有报道。

图1：光控虚拟微传感器的设计与制备。a)针型微电极(a1)和光控虚拟微传感器(OCViM) (a2)的设计原理。b) SOT系统示意图。c)在两亲性聚合物的辅助下，将各种分子传感器集成到ELNP中，制备纳米探针。d) ELNP的发射光谱(黑色)与Ir络合物的吸收光谱(蓝色)重叠。红外络合物的发射光谱用红色表示。e)蒸馏水中NPO2的水动力直径。f) OCViM的体外组装。用1064 nm激光束捕获悬浮在蒸馏水中的NPO2，获得其在暗场f2、蓝色荧光通道(f3)和红色荧光通道(f4)处的光学显微镜图像。

为了解决这一难题，提出了一种结合针状微电极和荧光成像方法的设计概念的技术。以针状微电极为参考(图1a1)，我们首先用荧光纳米探针代替传感器尖端，将其尺寸缩小到纳米级。然后，将物理手柄替换为具有特殊调制光场的近红外(NIR)激光束，用于纳米探针的光学捕获和操作(图1a2)。为了使这两个部分兼容，纳米探针将被精心设计和合成，使其适合于光学操作，也可被近红外激光束激发当纳米探针与激光束结合时，它会被捕获在激光束聚焦处，同时被激发产生荧光信号来报告生物标记物的水平。

此外，还可以通过扫描激光束将纳米探针移动到多个位置或同时捕获多个纳米探针来实现多点检测。由此建立了一种新的检测技术——光控虚拟微传感器(OCViM)。在OCViM中，以激光束作为虚拟手柄实现无创检测，以纳米级探针作为传感器尖端获得高空间分辨率，并通过光学力的作用实现对传感器尖端的主动控制。

根据该设计，制备了OCViMs用于检测各种生物标志物，包括O2、pH和活性氧(ROS)。它们的定量、多点和高分辨率检测能力在体外进行了表征，并在活斑马鱼中得到验证。开发的OCViMs用于检测血栓模型中生物标志物的过表达和不均一分布。基于OCViMs的多种生物标志物检测，综合评价抗血栓药物的治疗效果。

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