奈米技術加持 生物光子學迎接醫療應用前景

作者 : Emily Newton,Electronic Product

本文介紹四個相關用例,說明以雷射驅動的生物光子學結合奈米技術的應用如何共同實現更理想的醫療保健效果。

「生物光子學」(Biophotonics)是指採用光、生物學和生命科學於研究、操縱或設計生物過程。現正進行中的一些研究開始將奈米技術和生物光子學定位為足以引領科學進步的理想技術配對。奈米技術在生物光子學中的許多應用可能對於社會產生巨大影響,尤其是大幅地改變醫療保健和治療。

儘管相關研究仍處於早期階段,但本文介紹四個相關用例,說明以雷射驅動的生物光子學結合奈米技術的應用如何共同實現更理想的醫療保健效果。

以高解析度視覺恢復視力

根據世界衛生組織(World Health Organization;WHO)指出,全球至少有22億人患有視力障礙。統計數據並顯示,患有視力障礙的其中10億人原本能夠透過治療而避免或解決視力障礙問題。儘管所採取的介入治療措施因診斷方式不同而異,但在許多情況下,其主要目標都在於阻止視力損壞程度惡化,而不是試圖恢復視力。

諸如老年性黃斑部病變(age-related macular degeneration;AMD)和視網膜色素病變(retinitis pigmentosa;RP)等眼科疾病中,主要問題在於光受體細胞(photoreceptor cell)受到破壞。光受體細胞能讓雙極細胞接收來自突觸的光敏輸入。一項由歐盟(European Union;EU)資助的專案旨在以人工方式複製突觸輸入,而使眼睛的雙極細胞能再次正常接收,甚至得以重見光明。

這支跨領域的研究團隊由來自六個歐洲機構的研究人員組成,計劃創造一種視網膜神經輔具奈米裝置,一部份將依賴病變視網膜中的殘留功能,並使用各種技術讓視網膜內的神經元產生反應。根據研究人員解釋,他們將會使用各種技術來恢復視網膜內神經元的活化作用。他們還指出,透過光照能致使神經元以相當於視網膜中間視錐細胞可行的解析度加以活化。研究人員分享其結果將會是高解析度的視覺。

儘管該專案的開發工作仍處於早期階段,但目前的優先事項是改善先前展示的中空電漿奈米通道,這將有助於增強光的電磁場,並且讓研究人員得以在奈米級上與神經元進行互動。

研究人員們也使用了奈米通道進行試驗,以釋放麩醯胺酸的注入——麩醯胺酸是視網膜級的主要神經遞質,接收到光的刺激後會變得興奮。如果研究人員能夠讓這種情況發生,即可將其用於模仿非患病眼睛中所發生的生理過程。這是一項為期四年的專案,首先將會在靈長類動物和囓齒動物身上測試原型,然後再進行人體試驗。

提升測試效率

COVID-19疫情是一場持續延燒的醫療保健危機,而且大規模地重塑整個世界。為了盡可能有效地管理公共衛生,研究人員們正積極探索更好的病毒檢測方法。公衛專家們長久以來認為,只要受感染的人注意不要將病毒擴散至其他人,那麼檢測可望成為有效阻止病毒傳播的關鍵之一。為此,以雷射驅動的生物光子學通常在這些增強方法中發揮重要作用。

例如,2020 年的一項成就在於採用了拉曼(Raman)光譜測試COVID-19。這種方法的兩項主要優點在於它能以高度可攜的形式在大約五分鐘內給出結果。開發團隊表示,這種方法在運動場、機場和學校等大型環境中特別有用。

生命科學產業經常使用雷射顯微鏡來創建高解析度細胞影像。研究人員意識到,奈米光子生物感測器具備的特殊性,使其得以較現有測試方法更快地檢測COVID-19。

他們還掌握到需要為這些測試開發更合用的設計,並希望在這方面取得的成功能夠帶來多種好處,包括快速檢測和辨識病毒。它還允許在單一平台上處理基因組分析和執行血清學檢測,這相當有助於實驗室工作人員提高其生產力。

加強癌症診斷

研究人員已在探索使用光驅動的生物光子學來強化癌症的診斷。例如,拉曼光譜在區分健康組織和腫瘤時可以達到高達98%的準確度。業界人士表示,在患者身上使用這種診斷方法仍然具有挑戰性,但也看到了它的潛在好處。

例如,研究人員發現使用生物光子學能夠以更快且低侵入性的方式檢測大腸直腸癌(Colorectal cancer)。它還提供了即時資訊,讓醫生可加以利用並對於如何進行照護做出更有利的決定。

研究並顯示,當結合奈米技術後可為患者帶來更好的結果。例如,奈米技術產生了更好的造影劑,可以更早、更準確地進行初期的癌症診斷。此外,現正進行中的一項研究即使用了奈米技術來檢測血液生物標誌,為醫生提供另一種篩查癌症的方法。

藥物輸送商機

醫療產業持續致力於改善患者的用藥方法。他們必須注意很多事情,包括確保藥物被適當地吸收以及患者接受處方治療。根據證據顯示,生物光子學中的奈米技術可以為藥物輸送機制提供更多新進展。

例如,一項研究中探討了奈米製劑的潛力,可對用於輸送藥物至大腦的近紅外線作出反應。研究人員指出,人們應該將未來的研究工作重點放在涉及第二和第三光譜窗口的應用上,範圍從1100到1870奈米。

他們並澄清說,迄今為止的研究涉及第一個光譜窗口,範圍從700到1000奈米。然而,僅使用與第一個光譜窗口相關的應用可能限制潛在的機會。研究人員還指出,必須進行進一步的工作才能了解瞬態或間歇性近紅外線對大腦生理的影響,以及減少射線暴露是否可以防止過熱引起的潛在組織損傷。

還有其他研究人員研究了一種結合光纖鑷子與雷射拉曼顯微光譜的全光學方法。這種方法允許針對單個癌細胞進行特定的藥物遞送。此外,這種方法在藥物輸送和釋放方面提供了靈活性,因為醫護人員可以根據需要開啟和關閉雷射光束以操縱結果。

這一類的研究計劃仍處於早期階段。但無疑地,它們都是很有希望的,因為它們可以用來為醫生提供更多治療個體患者的選擇。這一點至關重要,因為治療效果通常取決於諸如腫瘤位置和疾病整體進展等細節。生物光子學中的奈米技術可以創造新的、高度個性化的治療途徑。

生物光子學+奈米技術:醫療前景光明

當人們患有衰弱或改變生活的疾病時,通常希望快速獲得有效的治療方法,幫助他們延長生存時間。這些例子展現了光子學、雷射驅動的生物光子學和奈米技術如何更有效地改變醫療保健領域。無論是準確有效地檢測COVID-19,還是在DNA測序、癌症診斷和照護方法方面取得突破皆然。

本文中所探討的各種可能性大多數都還沒能為主流應用準備就緒。科學家們可能會發現,在實驗室中展現最大潛力的一些雷射驅動生物光子學選項,目前在現實世界看來還沒那麼具有前景。或者,他們可能會發現某些技術在延伸應用時極具挑戰性,因而使其不太可能具有商業應用和吸引力。

即便如此,很顯然地,生物光子學中的奈米技術值得持續關注。科學家越瞭解這些技術,他們就越可能找到有效掌握與應用它們的可行方法。當這一切實現時,整個社會都將從進步中受益。

本文作者:Emily Newton,Electronic Product特約作者

編譯:Susan Hong

(參考原文:4 ways nanotech can improve biophotonics,by Emily Newton)

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