Infektionssjukdomar som malaria är fortfarande en ledande dödsorsak i många regioner. Detta beror delvis på att människor där inte har tillgång till medicinska diagnostiska verktyg som kan upptäcka dessa sjukdomar (tillsammans med en rad icke-infektionssjukdomar) i ett tidigt skede, när det finns mer utrymme för behandling.

Det är en utmaning som forskare har tagit sig an, med målet att demokratisera hälsovården för ekonomiskt missgynnade människor världen över.

Jag och mina kollegor har utvecklat en ny metod för undersökning av biologiska celler som är tillräckligt liten för att passa in i en smartphone-lins.

Även om vi hittills bara har testat det i labbet, hoppas vi att denna nanoteknik i framtiden skulle kunna möjliggöra sjukdomsdetektering i verkliga medicinska miljöer med bara en mobil enhet. Vi hoppas att vårt arbete så småningom kan hjälpa till att rädda miljontals liv.

Hur man undersöker en biologisk cell

Att kunna undersöka biologiska celler genom optiska mikroskop är en grundläggande del av medicinsk diagnostik.

Detta beror på att specifika förändringar i celler som kan observeras under ett mikroskop ofta tyder på sjukdomar. I fallet med malaria, till exempel, innebär guldstandardmetoden för detektion att använda mikroskopbilder för att identifiera specifika förändringar i en patients röda blodkroppar.

Men biologiska celler är bra på att gömma sig. Många av deras inre egenskaper är praktiskt taget genomskinliga och nästan osynliga för konventionella mikroskop. För att göra dessa funktioner synliga måste vi tillämpa knep.

Ett sätt är att introducera någon form av kemisk färgning, som lägger till kontrast till de genomskinliga egenskaperna hos celler.

Andra tillvägagångssätt använder en process som kallas "fasavbildning". Fasavbildning utnyttjar det faktum att ljus, som har passerat genom cellen, innehåller information om de transparenta delarna av cellen – och gör denna information synlig för det mänskliga ögat.

Konventionella fasavbildningsmetoder förlitar sig på en rad skrymmande komponenter som prismor och interferensinställningar, som kostar tusentals dollar. Dessutom kan dyr och skrymmande utrustning inte lätt göras tillgänglig i avlägsna regioner och ekonomiskt missgynnade länder.

Gå in i nanoteknik

En stor vetenskaplig satsning är för närvarande inriktad på att utnyttja nanoteknik för att ersätta traditionella stora optiska komponenter.

Detta görs genom att skapa nanometertjocka enheter med potential för låg kostnad massproduktion. Dessa enheter kan integreras i mobila enheter, som smartphonekameror, i framtiden.

I det specifika fallet med fasavbildning har forskare tidigare bara kunnat utveckla system som:

• är beroende av tidskrävande beräkningsefterbearbetning, vilket gör processen mer komplex och inte tillåter realtidsavbildning
• använd fortfarande mekaniskt rörliga eller roterande delar. På grund av utrymmeskraven för dessa delar är de inkompatibla med helt platta optiska komponenter och ultrakompakt integration.

Vi har utvecklat en enhet som kan utföra momentan fasavbildning utan dessa begränsningar. Vår lösning är bara några hundra nanometer tjock och skulle kunna integreras i kameralinser, i form av en platt film ovanpå linsen.

Hur vi gjorde det

Vi skrev in en nanostruktur i en mycket tunn film (mindre än 200 nanometer tjock) som möjliggör fasavbildning med en effekt som ibland kallas "optisk spin-omloppskoppling."

Funktionsprincipen är enkel. Ett genomskinligt föremål, såsom en biologisk cell, placeras ovanpå enheten. Ljus lyser genom cellen och cellens tidigare osynliga struktur blir synlig på andra sidan.

I vår senaste publikation i ACS Photonics , beskriver vi hur vi framgångsrikt demonstrerade användningen av denna metod i en laboratoriemiljö, med artificiellt genererade transparenta föremål. Objekten var bara några mikrometer stora och därför jämförbara med biologiska celler.

Eftersom denna metod möjliggör fasavbildning, men inte hanterar förstoring av små föremål som celler, kräver den för närvarande fortfarande skrymmande linser för att ge förstoring. Vi är dock övertygade om att vår enhet i framtiden kan integreras med platta linser, som kommer från andra framsteg inom nanoteknik.

Vart kan det leda oss?

En utmaning med den nuvarande enhetsprototypen är tillverkningskostnaden på cirka 1 000 A$. Vi använde flera kostsamma nanotillverkningsmetoder som också används för tillverkning av datorchips.

Som sagt, genom att utnyttja de stordriftsfördelar som är förknippade med chipproduktion tror vi att vi kan uppnå den snabba och billiga produktionen av denna enhet inom de närmaste åren.

Hittills har vi bara gjort det här arbetet i labbet. Att se tekniken bli tillgänglig i medicinska mobila enheter kommer att kräva samarbete med ingenjörer och medicinska forskare som är specialiserade på utveckling av sådana verktyg.

Vår långsiktiga vision för tekniken är att tillåta mobila enheter att undersöka biologiska prover på ett sätt som ännu inte har varit möjligt.

Förutom att tillåta medicinsk fjärrdiagnostik kan den också tillhandahålla sjukdomsdetektering hemma, där en patient kan få sitt eget prov genom saliv, eller ett stick av blod, och skicka bilden till ett laboratorium var som helst i världen. + Utforska vidare

Nytt nanotekniskt bildbehandlingsverktyg kan möjliggöra diagnostik av smartphonesjukdomar

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.