Hologramteknologi kan føre til forbedrede diagnoser af kroniske sygdomme i fjerntliggende områder

Et nyt system udviklet af UCLA -forskere kan gøre det lettere og billigere at diagnosticere kroniske sygdomme, især i fjerntliggende områder uden dyrt laboratorieudstyr.

Teknologien bruger ekstremt simpelt optisk hardware og et linsefrit mikroskop, samt sofistikerede algoritmer, der hjælper med at rekonstruere billederne af vævsprøver. Det kan gøre tiltrængt diagnostisk test tilgængelig og overkommelig for mennesker i udviklingslande og fjerntliggende områder, der mangler det dyre laboratorieudstyr, der i øjeblikket bruges til at udføre vævsbiopsier.

Systemet til at gøre biologiske prøver gennemsigtige, også kendt som "vævsrensning, " og derefter billeddannelse af dem ved hjælp af et linsefrit mikroskop er beskrevet i en artikel offentliggjort i dag i Videnskab fremskridt , et tidsskrift fra American Association for the Advancement of Science. Det blev udviklet af et team ledet af Aydogan Ozcan, UCLA -kanslerens professor i el- og computerteknik og bioingeniør og associeret direktør for California NanoSystems Institute; og Rajan Kulkarni, en assisterende professor i medicin og dermatologi ved David Geffen School of Medicine ved UCLA, og medlem af CNSI.

Vævsbiopsi betragtes bredt som guldstandarden for påvisning af sygdomme som kræft og inflammatoriske tilstande. Men testen er relativt dyr og kompleks, og det kræver brug af sofistikerede faciliteter - en alvorlig udfordring i regioner med begrænsede ressourcer.

I en standardbiopsi, væv skæres i tynde skiver, omkring en tiendedel af tykkelsen af ​​et menneskehår og farvet med farvestoffer, så læger kan bruge et mikroskop til at opdage abnormiteter og syge celler. En udfordring ved denne tilgang - ud over den tid og de omkostninger, der er forbundet med det - er, at kun et lille antal vævsprøver kan analyseres ad gangen.

"Selvom teknologiske fremskridt har gjort det muligt for læger at få fjernadgang til medicinske data for at udføre diagnoser, der er stadig et presserende behov for en pålidelig, billige midler til sygdomsbilleddannelse og identifikation-især i lavressourceindstillinger-til patologi, biomedicinsk forskning og beslægtede anvendelser, " sagde Ozcan.

Forskerne forberedte vævsprøver ved hjælp af en teknik kaldet Clarity, hvilket gør væv gennemsigtigt, eller "rydder" det, ved hjælp af en kemisk proces, der fjerner fedt og efterlader proteiner og DNA. Metoden kræver typisk fluorescerende farvestoffer, som kan være dyrt, at farve vævsprøverne, men en ulempe ved disse farvestoffer er, at farvningen har en tendens til at nedbrydes over tid, gør det sværere for forskere at indsamle oplysninger fra det.

I stedet, UCLA -forskerne brugte farvet, lysabsorberende farvestoffer, som ifølge Kulkarni, kan bruges med almindelige mikroskopiværktøjer uden mærkbart signaltab over tid.

Og i stedet for at bruge en maskine, der typisk bruges til biopsitest (et traditionelt mikroskop kan koste mere end $ 50, 000), UCLA-forskerne udviklede en ny enhed fremstillet af komponenter, der tilsammen kun koster et par hundrede dollars:et holografisk objektivfrit mikroskop, der er i stand til at producere 3D-billeder med en tiendedel af de billeddata, som konventionelle scannende optiske mikroskoper har brug for for at gøre det samme ting.

UCLA -metoden tillod også forskerne at bruge vævsprøver, der var 0,2 millimeter tykke, mere end 20 gange tykkere end en typisk prøve - en kritisk fordel ved det nye system, fordi det er svært at producere tyndere vævsskiver uden avanceret udstyr. Dette gør det også muligt for forskere at studere en større prøvevolumen, som kunne hjælpe dem med at opdage abnormiteter tidligere, end de ellers ville.

Sådan fungerer testen:Først det ryddede væv placeres i en lille beholder på en siliciumchip, der indeholder millioner af fotodetektorer - den samme type chip, der findes i mobiltelefonkameraer. Når der skinner lys på vævsprøven, lavopløsningsskygger fra vævsprøven falder på chippen. De skygger, skabt af interferens af lys spredt af prøven, danne hologrammer af vævsprøven.

Næste, forskerne forbedrer opløsningen og muliggør 3D-billeddannelse ved at flytte prøven i forhold til billedsensoren og fange den samme holografiske skygge, giver dem mulighed for digitalt at se forskellige tværsnit, eller digitale skiver, af vævsprøven.

"Gennem beregning og algoritmer, vi konverterede en standard 10-megapixel billedbehandler, som dem der almindeligvis bruges i mobiltelefoner, i et par hundrede-megapixel mikroskop, der digitalt kan billedbillede gennem forskellige skiver af en tyk vævsprøve, " sagde Yibo Zhang, undersøgelsens første forfatter og en kandidatstuderende i Ozcans laboratorium.

Andre medlemmer af forskerholdet var Sam Yang, Hongda Wang, Da Teng og Yair Rivenson, hele Ozcan Research Group; og Yoonjung Shun, Kevin Sung og Harrison Chen fra Kulkarnis laboratorium.