Forskare i USA och Kina har utvecklat en metod för att omvandla en smartphone till ett fluorescensmikroskop. Den handhållna smartphone-fluorescensmikroskop (HSFM) -enheten möjliggör komplexa biomedicinska analyser både snabbt och billigt. Konventionella fluorescensmikroskop spelar en viktig roll för att upptäcka olika celler och proteiner, men de är skrymmande och obekväma för vårddiagnoser. Nu skriver jag in Ljus:Vetenskap och applikationer , Bo Dai och ett tvärvetenskapligt forskargrupp detaljerade användningen av flytande polymerer för att skapa miniatyr två-dropplinser färgade med färgade lösningsmedel. Linserna var kompatibla över flera olika smarttelefonkameror. Den låga kostnaden, experimentell installation gjorde att de kunde observera och räkna celler, övervaka uttrycket av fluorescensmärkta gener och skilja mellan normala vävnader och tumörer. Den lättillgängliga och prisvärda smartphonetekniken kan bidra till sparsam vetenskap och kommer att leda till bättre administration av på plats och ekonomiskt hållbar personlig medicin.

Fluorescensmikroskopi är allestädes närvarande i flera discipliner, inklusive cell- och molekylärbiologi, sjukvården, miljöövervakning och livsmedelshygien. Inom biomedicin och kliniska tillämpningar, fluorescerande avbildning kan upptäcka och spåra celler, proteiner och andra molekyler av intresse med hög känslighet och precision. Konventionella fluorescensmikroskop är vanligtvis konstruerade med skrymmande komponenter, vilket gör dem extremt utmanande för vårddiagnos i resursbegränsade regioner. Som ett resultat, bärbara mikroskop är en viktig utveckling på en idealisk smartphone -plattform för mobilitet och tillgänglighet för en rad användare.

Forskare hade tidigare använt smartphone-baserade mikroskop för att avbilda mänskliga blodkroppar, vattenburna parasiter och humant cytomegalovirus. För dessa forskningsinsatser inkluderade de viktiga element såsom ljusemitterande dioder (lysdioder) för belysning, externa linser för optisk avbildning och förstoring samt fluorescensemissionsfiltrering för att dirigera ljus. Polymerlinser är lätta att utveckla och ger kraft i hög upplösning för att bygga ett "gör-det-själv" -mikroskop för resursbegränsade applikationer. Dock, på grund av de olika modellerna av smartphones som för närvarande finns tillgängliga, forskare syftar till att utveckla en bilaga för smartphone-baserad mikroskopi vars design är oberoende av en specifik telefonmodell.

För att hantera denna utmaning i det nuvarande arbetet, Dai et al. utvecklat ett billigt handhållet smartphone-fluorescensmikroskop (HFSM) i en bärbar storlek. HRSM använde ett enda kompakt och multifunktionellt färgobjektiv för att konvertera vilken smarttelefonmodell som helst till ett fluorescensmikroskop utan att ändra bilagans design mellan telefoner. Den experimentella designen minskade HRFM -enhetens komplexitet och möjliggjorde dess användning på en mängd olika smartphones. Produkten är funktionellt konsekvent på flera smarttelefonplattformar, lätt att använda, låg kostnad, och kan massproduceras. Forskargruppen använde enheten för att visa ljusa fält och fluorescerande avbildning i flera bioanalytiska tillämpningar inom celler och vävnader.

För HFSM -modulen Dai et al. inkluderade en färgkomponerad lins för både avbildning och ljusfiltrering. De utvecklade miniatyrlinsen med två droppar med hög brytningsindex, en inuti en annan färgad med färgade lösningsmedel för att överföra det önskade emissionsljuset till bildsensorn. Forskarna utvecklade två modeller i studien för att antingen (1) sticka ut från telefonens baksida (modell I) eller (2) förbli i profil med telefonen (modell II). För båda versionerna, de inkluderade en linsdesign med färgad polydimetylsiloxan (PDMS) förpolymer och metylfenylpolymer (vinylterminerad dimetyldifenylsiloxaner). För att avgöra hur polymerdroppen sprids under tillverkningsprocessen, forskarna beräknade radien för droppen och kapillärlängden.

De testade och upptäckte först PDMS -droppen för att bilda en sfärisk kåpa under påverkan av gränssnittsspänningskraften och tog hänsyn till flera faktorer för att bestämma den inre och yttre krökning av PDMS -locket. Därefter, när de utrustade smarttelefonen med linser av 3,2 µL polymerdroppar, kameran kan lösa en 2,76 µm linje. Eftersom polymerdroppen i flytande tillstånd förblev förseglad helt i det stabila och härdade PDMS-locket, forskargruppen undvek problem i samband med yttre mekaniska vibrationer och termiska störningar eller kemiska försämringar under användningen. De fäster linsen på kameran som en del av smarttelefonen för att bära bekvämt, och kan ta bort linsen från kameran för att ersätta den med ett annat anpassat objektiv för bildbehandling.

Forskargruppen vidareutvecklade och använde ett anpassat belysningsverktyg i den mikroskopiska avbildningsprocessen för att observera och räkna celler under vitt ljus. Med hjälp av installationen, de såg kuboida och spindelformade cellaggregat i små kluster. Under cellräkningsexperiment, Dai et al. tydligt särskiljade de enskilda cellerna och beräknade cellkoncentrationen, som överensstämde utmärkt med resultaten från en kommersiell cellräknare för att validera HSFM -enheten. Därefter, forskarna inkuberade mänskliga levervävnader med fluorescensmärkta antikroppar för att upptäcka normala eller defekta funktioner med HSFM utrustad med en grön lins. Med hjälp av smartphone -mikroskopet, Dai et al. korrekt identifierade bilder av normala vävnader, paratumörvävnader och cancervävnader. Till exempel, ett högre uttryck för ljusgrön fluorescens bekräftade förekomsten av onormalt, sjuk vävnad.

Forskargruppen använde sedan HSFM med en grön lins för att övervaka transfektion och uttryck av förstärkt grönt fluorescerande protein (EGFP; reportergen för att studera fysiologiska processer) inom en plasmid. För detta, de transfekterade den GFP-märkta humana NLRP3-genen till en 293T human embryonisk njurcellinje och exciterade de transfekterade cellerna med ett 480 nm blått ljus för ljusgrönt fluorescensemission. Excitationsljuset filtreras genom den gröna linsen för fluorescensemission, som Dai et al. fångas som gröna fläckar med smarttelefonen. Resultaten överensstämde väl för båda objektivmodellerna (modell I och II) i förhållande till värden som mätts med ett konventionellt mikroskop.

Dai et al. använde därefter installationen för att kvantifiera superoxidproduktion; en fysiologisk markör för kardiovaskulär och neurodegenerativ sjukdom. För detta, de färgade en HBEC3-KT human bronchial epitelcellinje med MitoSox Red, en fluorogen sond som mycket selektivt kan detektera superoxid, som de producerade genom att interagera HBEC3-KT-celler med lipopolysackarider (LPS) i detta arbete. Teamet observerade en konsekvent ökning av den genomsnittliga fluorescensintensiteten för MitoSox Red för att stödja den förbättrade produktionen av superoxid efter LPS -triggning.

På det här sättet, Bo Dai och medarbetare gav en kompakt, prisvärd plattform för fluorescensmikroskopi med hjälp av en linsbaserad smartphone. Installationen tog bilder med cellulär upplösning och ett synfält (FOV) i en vävnadsövergripande skala. Funktionerna förlitade sig på pixel- och bildsensorstorleken i smarttelefonen; en teknik som fortsätter att utvecklas. Forskargruppen inspirerades av föregående forskningsarbete på ett smartphone -objektiv med namnet DOTlens som utvecklats någon annanstans. Arbetet som presenteras här kan fungera som nästa generations multifunktionella linsmoduler för fältbärbara smartphone-mikroskop. Dai et al. tror att de observerade applikationerna bara är toppen av isberget med större potential för framtida applikationer med HSFM -enheten. De förväntar sig att utveckla färgkomponeringslinserna för ytterligare fluorescerande kanaler för att avsevärt förbättra kapaciteten hos det kostnadseffektiva mikroskopet. Forskarna föreställer sig masstillverkning av lågkostnad, enkla HFSM -enheter för mobila och anpassade vårdapplikationer vid vårdpunkten.

© 2019 Science X Network