Ett nytt system utvecklat av UCLA -forskare kan göra det enklare och billigare att diagnostisera kroniska sjukdomar, särskilt i avlägsna områden utan dyr laboratorieutrustning.

Tekniken använder extremt enkel optisk hårdvara och ett objektivfritt mikroskop, samt sofistikerade algoritmer som hjälper till att rekonstruera bilderna av vävnadsprover. Det kan göra välbehövlig diagnostisk testning tillgänglig och prisvärd för människor i utvecklingsländer och avlägsna områden som saknar den dyra labutrustningen som för närvarande används för att utföra vävnadsbiopsier.

Systemet för att göra biologiska prover transparenta, även känd som "vävnadsrensning, "och sedan avbilda dem med ett linsfritt mikroskop beskrivs i en artikel som publicerades idag Vetenskapliga framsteg , en tidskrift från American Association for the Advancement of Science. Det utvecklades av ett team under ledning av Aydogan Ozcan, UCLA -kanslers professor i elektroteknik och datateknik och bioingenjör och associerad chef för California NanoSystems Institute; och Rajan Kulkarni, en biträdande professor i medicin och dermatologi vid David Geffen School of Medicine vid UCLA, och medlem i CNSI.

Vävnadsbiopsi anses allmänt vara guldstandarden för att upptäcka sjukdomar som cancer och inflammatoriska tillstånd. Men testet är relativt dyrt och komplext, och det kräver användning av sofistikerade faciliteter - en allvarlig utmaning i regioner med begränsade resurser.

I en standardbiopsi, vävnaden skärs i tunna skivor, omkring en tiondel av tjockleken på ett människohår och färgat med färgämnen, så att läkare kan använda ett mikroskop för att upptäcka abnormiteter och sjuka celler. En utmaning med det tillvägagångssättet - bortom tid och kostnad - är att endast ett litet antal vävnadsprover kan analyseras åt gången.

"Även om tekniska framsteg har gjort det möjligt för läkare att på distans få tillgång till medicinsk data för att utföra diagnoser, det finns fortfarande ett akut behov av en pålitlig, billiga medel för sjukdomsavbildning och identifiering-särskilt i lågresursinställningar-för patologi, biomedicinsk forskning och relaterade tillämpningar, "Sa Ozcan.

Forskarna förberedde vävnadsprover med en teknik som heter Clarity, vilket gör vävnaden transparent, eller "rensar" det, med hjälp av en kemisk process som tar bort fett och lämnar efter sig proteiner och DNA. Metoden kräver vanligtvis fluorescerande färgämnen, vilket kan bli dyrt, att färga vävnadsproverna, men en nackdel med dessa färgämnen är att färgningen tenderar att försämras med tiden, vilket gör det svårare för forskare att samla in information från den.

Istället, UCLA -forskarna använde färgade, ljusabsorberande färgämnen som, enligt Kulkarni, kan användas med vanliga mikroskopverktyg utan märkbar signalförlust över tid.

Och istället för att använda en maskin som vanligtvis används för biopsitestning (ett traditionellt mikroskop kan kosta mer än $ 50, 000), UCLA-forskarna utvecklade en ny enhet gjord av komponenter som tillsammans kostar bara några hundra dollar:ett holografiskt objektivfritt mikroskop som kan producera 3D-bilder med en tiondel av bilddata som konventionella skannande optiska mikroskop behöver göra samma sak sak.

UCLA -metoden tillät också forskarna att använda vävnadsprover som var 0,2 millimeter tjocka, mer än 20 gånger tjockare än ett typiskt prov - en kritisk fördel med det nya systemet eftersom det är svårt att producera tunnare vävnadsskivor utan sofistikerad utrustning. Detta gör det också möjligt för forskare att studera en större urvalsvolym, vilket kan hjälpa dem att upptäcka avvikelser tidigare än de annars skulle.

Så här fungerar testet:Först, den rensade vävnaden placeras i en liten behållare på ett kiselchip som innehåller miljontals fotodetektorer - samma typ av chip som finns i mobiltelefonkameror. När ljuset lyser på vävnadsprovet, lågupplösta skuggor från vävnadsprovet faller på chipet. De där skuggorna, skapad av störningar av ljus spridda av provet, bilda hologram av vävnadsprovet.

Nästa, forskarna förbättrar upplösningen och möjliggör 3D-avbildning genom att flytta provet relativt bildsensorn och fånga samma holografiska skugga, så att de digitalt kan se olika tvärsnitt, eller digitala skivor, av vävnadsprovet.

"Genom beräkning och algoritmer, vi konverterade en standard 10-megapixel imager, som de som vanligtvis används i mobiltelefoner, i ett par hundra megapixels mikroskop som digitalt kan bilda sig genom olika skivor av ett tjockt vävnadsprov, "sa Yibo Zhang, studiens första författare och en doktorand i Ozcans laboratorium.

Andra medlemmar i forskargruppen var Sam Yang, Hongda Wang, Da Teng och Yair Rivenson, alla i Ozcan Research Group; och Yoonjung Shun, Kevin Sung och Harrison Chen från Kulkarnis laboratorium.