“生物光子学”(Biophotonics)是指采用光、生物学和生命科学来研究、操纵或设计生物过程。现正进行中的一些研究开始将纳米技术和生物光子学定位为足以引领科学进步的理想技术搭配。纳米技术在生物光子学中的许多应用可能对于社会产生巨大影响，尤其是大幅地改变医疗健康和治疗。
尽管相关研究仍处于早期阶段，但本文介绍四个相关用例，说明以激光驱动的生物光子学结合纳米技术的应用如何共同实现更理想的医疗健康效果。
(图片来源：Shutterstock）
根据世界卫生组织(World Health Organization，WHO)指出，全球至少有22亿人患有视力障碍。统计数据还显示，患有视力障碍的其中10亿人原本能够通过治疗而避免或解决视力障碍问题。尽管所采取的干预治疗措施因诊断方式不同而异，但在许多情况下，其主要目标都在于阻止视力损坏程度恶化，而不是试图恢复视力。
在诸如老年性黄斑变性(age-related macular degeneration，AMD)和视网膜色素变性(retinitis pigmentosa，RP)等眼科疾病中，主要问题在于光受体细胞(photoreceptor cell)受到破坏。光受体细胞能让双极细胞接收来自突触的光敏输入。一项由欧盟资助的项目旨在以人工方式复制突触输入，而使眼睛的双极细胞能再次正常接收，甚至得以重见光明。
这支跨领域的研究团队由来自六个欧洲机构的研究人员组成，计划创造一种视网膜纳米级神经递质释放设备，该设备将部分依赖病变视网膜中的残留功能，并使用各种技术让视网膜内的神经元产生反应。根据研究人员解释，他们将会使用各种技术来恢复视网膜内神经元的活性。他们还指出，通过光照能让神经元以相当于视网膜中间的视锥细胞的分辨率加以活化。研究人员表示，其结果能带来高分辨率的视觉。
尽管该项目的开发工作仍处于早期阶段，但目前的优先事项是改善先前展示的中空等离子体纳米通道，这将有助于增强光的电磁场，并且让研究人员得以在纳米级上与神经元进行相互作用。
研究人员们还使用了纳米通道进行试验，以释放谷氨酸盐注射液——谷氨酸盐是视网膜水平的主要神经递质，接收到光的刺激后会变得兴奋。如果研究人员能够让这种情况发生，即可将其用于模仿未患病眼睛中所发生的生理过程。这是一项为期四年的项目，首先将会在灵长类动物和啮齿类动物身上测试样品，然后再进行人体试验。
COVID-19(新冠肺炎)疫情是一场持续漫延的医疗健康危机，而且大规模地重塑整个世界。为了尽可能有效地管理公共卫生，研究人员们正积极探索更好的病毒检测方法。专家们长久以来一直认为，只要受感染的人注意不要将病毒传染给其他人，那么检测可望成为有效阻止病毒传播的关键之一。为此，以激光驱动的生物光子学通常在这些增强方法中发挥重要作用。
例如，2020 年的一项成果就是采用了拉曼(Raman)光谱测试COVID-19。这种方法的两项主要优点在于它能以高度便携的形式在大约五分钟内给出结果。开发团队表示，这种方法在体育馆、机场和学校等大型环境中特别有用。
生命科学行业经常使用激光显微镜来创建高分辨率细胞图像。研究人员意识到，纳米光子生物传感器具备的特殊性，使其能够以较现有测试方法更快地速度检测COVID-19。
他们还认识到需要为这些测试开发更合理的设计，并希望在这方面取得的成功能够带来多种好处，包括快速检测和识别病毒。它还允许在单一平台上处理基因组分析和进行血清学检查，这非常有助于实验室工作人员提高其生产力。
研究人员已在探索使用光驱动的生物光子学来强化癌症的诊断。例如，拉曼光谱在区分健康组织和肿瘤时可以达到高达98%的准确度。业界人士表示，在患者身上使用这种诊断方法仍然具有挑战性，但也看到了它的潜在好处。
例如，研究人员发现使用生物光子学能够以更快且低侵入性的方式检测结直肠癌(Colorectal cancer)。它还提供了实时信息，让医生可加以利用并对于如何进行护理做出更明智的决定。
研究显示，结合纳米技术可为患者带来更好的结果。例如，纳米技术产生了更好的造影剂，可以更早、更准确地进行初期的癌症诊断。此外，现正进行中的一项研究使用了纳米技术来检测血液生物标志物，为医生提供另一种筛查癌症的方法。
医疗行业持续致力于改善患者的给药方法。他们必须注意很多事情，包括确保药物被适当地吸收以及患者接受规定的治疗。有证据表明，生物光子学中的纳米技术可以为药物输送机制提供更多新进展。
例如，一项研究中探讨了纳米制剂的潜力，可对用于输送药物至大脑的近红外线作出反应。研究人员指出，人们应该将未来的研究工作重点放在涉及第二和第三光谱窗口的应用上，范围从1100nm到1870nm。
他们澄清说，迄今为止的研究只涉及第一个光谱窗口，范围从700nm到1000nm。然而，仅使用与第一个光谱窗口相关的应用可能限制潜在的机会。研究人员还指出，必须进行进一步的工作才能了解瞬时或间歇性近红外线对大脑生理的影响，以及减少射线照射是否可以防止过热引起的潜在组织损伤。
还有其他研究人员研究了一种结合光纤镊子与激光拉曼显微光谱的全光学方法。这种方法允许针对单个癌细胞进行特定的药物输送。此外，这种方法在药物输送和释放方面提供了灵活性，因为医护人员可以根据需要开启和关闭激光束以操纵结果。
这一类的研究仍处于早期阶段。但无疑地，它们都是很有前途的，因为它们可以用来为医生提供更多治疗个体患者的选择。这一点至关重要，因为治疗效果通常取决于诸如肿瘤位置和疾病整体进展等细节。生物光子学中的纳米技术可以创造新的、高度个性化的治疗途径。
当人们患有衰弱或改变生活的疾病时，通常希望快速获得有效的治疗方法，帮助他们延长生存时间。这些例子展现了光子学、激光驱动的生物光子学和纳米技术如何更有效地改变医疗健康领域。无论是准确有效地检测COVID-19，还是在DNA测序、癌症诊断和护理方法方面取得的突破。
本文中所探讨的各种可能性大多数都还没能为主流应用做好准备。研究人员们可能会发现，在实验室中展现最大潜力的一些激光驱动生物光子学选项，目前在现实世界看来还没那么具有前景。或者，他们可能会发现某些技术在延伸应用时极具挑战性，因而使其不太可能获得商业应用和吸引力。
即便如此，很显然地，生物光子学中的纳米技术仍然值得持续关注。科学家越了解这些技术，他们就越可能找到有效掌握与应用它们的可行方法。当这一切实现时，整个社会都将从进步中受益。
(原文刊登于EDN姊妹网站Electronic Products，参考链接4 ways nanotech can improve biophotonics，由Susan Hong编译。)
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