Gør en håndholdt smartphone til et fluorescensmikroskop

Forskere i USA og Kina har udviklet en metode til at omdanne en smartphone til et fluorescensmikroskop. Den håndholdte smartphone-fluorescensmikroskop (HSFM) -enhed tillader komplekse biomedicinske analyser både hurtigt og billigt. Konventionelle fluorescensmikroskoper spiller en vigtig rolle for at detektere forskellige celler og proteiner, men de er omfangsrige og ubelejlige for diagnoser, der er velegnede. Skriver nu ind Lys:Videnskab og applikationer , Bo Dai og et tværfagligt forskerhold detaljerede brugen af ​​flydende polymerer til at skabe miniaturelinser med to dråber farvet med farvede opløsningsmidler. Linserne var kompatible på tværs af flere forskellige smartphone -kameraer. Den lave pris, eksperimentel opsætning tillod dem at observere og tælle celler, overvåge ekspressionen af ​​fluorescensmærkede gener og skelne mellem normale væv og tumorer. Den let tilgængelige og overkommelige smartphone -teknologi kan bidrage til nøjsom videnskab og vil føre til bedre administration af onsite og økonomisk levedygtig personlig medicin.

Fluorescensmikroskopi er allestedsnærværende i flere discipliner, herunder celle- og molekylærbiologi, sundhedsindustrien, miljøovervågning og fødevaresanering. I biomedicin og kliniske anvendelser, fluorescerende billeddannelse kan registrere og spore celler, proteiner og andre molekyler af interesse med høj følsomhed og præcision. Konventionelle fluorescensmikroskoper er typisk konstrueret med omfangsrige komponenter, hvilket gør dem ekstremt udfordrende for point-of-care diagnose i ressourcebegrænsede regioner. Som resultat, bærbare mikroskoper er en vigtig udvikling på en ideel smartphone -platform til mobilitet og tilgængelighed for en række brugere.

Forskere havde tidligere brugt smartphone-baserede mikroskoper til at afbilde menneskelige blodlegemer, vandbårne parasitter og humant cytomegalovirus. Til denne forskningsindsats inkluderede de nøgleelementer såsom lysemitterende dioder (lysdioder) til belysning, eksterne linser til optisk billeddannelse og forstørrelse samt fluorescensemissionsfiltrering for at lede lys. Polymerlinser er lette at udvikle og giver kraft i høj opløsning til at bygge et 'gør-det-selv' mikroskop til ressourcebegrænsede applikationer. Imidlertid, på grund af de forskellige modeller af smartphones, der i øjeblikket er tilgængelige, forskere sigter mod at udvikle en vedhæftet fil til smartphone-baseret mikroskopi, hvis design er uafhængigt af en bestemt telefonmodel.

For at løse denne udfordring i det nuværende arbejde, Dai et al. udviklet et billigt håndholdt smartphone-fluorescensmikroskop (HFSM) i en bærbar størrelse. HRSM brugte et enkelt kompakt og multifunktionelt farveobjektiv til at konvertere enhver smartphone -model til et fluorescensmikroskop uden at ændre vedhæftningsdesignet mellem telefoner. Det eksperimentelle design reducerede HRFM -enhedens kompleksitet og muliggjorde dens vedtagelse på tværs af en række smartphones. Produktet er funktionelt konsistent på tværs af flere smartphone -platforme, let at betjene, lavpris, og kan masseproduceres. Forskergruppen brugte enheden til at demonstrere lysfelt og fluorescerende billeddannelse i flere bioanalytiske applikationer i celler og væv.

For HFSM -modulet Dai et al. inkluderet en farvesammensat linse til både billeddannelse og lysfiltrering. De udviklede miniaturelinsen ved hjælp af to dråber med høj brydningsindeks, den ene inde i den anden farvet med farvede opløsningsmidler for at transmittere det ønskede emissionslys til billedsensoren. Forskerne udviklede to modeller i undersøgelsen for enten (1) at stikke ud fra telefonens bagside (model I) eller (2) forblive i profil med telefonen (model II). For begge versioner, de inkluderede et linsedesign med farvet polydimethylsiloxan (PDMS) præpolymer og methylphenylpolymer (vinyl-termineret dimethyldiphenylsiloxaner). For at bestemme, hvordan polymerdråben spredte sig under fremstillingsprocessen, forskerne beregnede radius af dråbe og kapillærlængde.

De testede og opdagede først PDMS -dråben for at danne en sfærisk hætte under indflydelse af grænsefladespændingskraften og tog flere faktorer i betragtning for at bestemme den indre og ydre krumning af PDMS -hætten. Derefter, da de udstyrede smartphonen med linser lavet af 3,2 µL polymerdråber, kameraet kunne løse en 2,76 µm linje. Da polymerdråben i flydende tilstand forblev forseglet fuldstændigt inden i den stabile og hærdede PDMS-hætte, forskergruppen undgik problemer forbundet med eksterne mekaniske vibrationer og termiske forstyrrelser eller kemiske forringelser under dens brug. De klæbte objektivet til kameraet som en del af smartphonen for at have det bekvemt med sig, og kunne fjerne objektivet fra kameraet for at erstatte det med et andet tilpasset objektiv til billeddannelse.

Forskergruppen videreudviklede og anvendte et tilpasset belysningsværktøj i den mikroskopiske billeddannelsesproces til at observere og tælle celler under hvidt lysbelysning. Ved hjælp af opsætningen, de så kuboidformede og spindelformede celleaggregater i små klynger. Under celletællingsforsøg, Dai et al. tydeligt adskilte de enkelte celler og beregnet cellekoncentrationen, som stemte glimrende overens med resultaterne opnået fra en kommerciel celletæller for at validere HSFM -enheden. Derefter, forskerne inkuberede humane levervæv med fluorescensmærkede antistoffer for at detektere normale eller defekte funktioner ved hjælp af HSFM udstyret med en grøn linse. Ved hjælp af smartphone -mikroskopet, Dai et al. nøjagtigt identificerede billeder af normale væv, para-tumorvæv og kræftvæv. For eksempel, et højere udtryk for lysegrøn fluorescens bekræftede tilstedeværelsen af ​​unormal, sygt væv.

Forskergruppen brugte derefter HSFM med en grøn linse til at overvåge transfektion og ekspression af forstærket grønt fluorescerende protein (EGFP; reportergen for at studere fysiologiske processer) inden for et plasmid. For det, de transficerede det GFP-mærkede humane NLRP3-gen til en 293T human embryonisk nyrecellelinje og begejstrede de transficerede celler med et 480 nm blåt lys for lysegrøn fluorescensemission. Excitationslyset filtreret gennem den grønne linse for fluorescensemission, som Dai et al. fanget som grønne pletter ved hjælp af smartphonen. Resultaterne stemte godt overens for begge objektivmodeller (model I og II) i forhold til værdier målt ved hjælp af et konventionelt mikroskop.

Dai et al. efterfølgende brugt opsætningen til at kvantificere superoxidproduktion; en fysiologisk markør for kardiovaskulær og neurodegenerativ sygdom. For det, de farvede en HBEC3-KT human bronchial epitelcellelinje med MitoSox Red, en fluorogen sonde, der meget selektivt kan detektere superoxid, som de producerede ved at interagere HBEC3-KT-celler med lipopolysaccharider (LPS) i dette arbejde. Teamet observerede en konsekvent stigning i den gennemsnitlige fluorescensintensitet af MitoSox Red for at understøtte den øgede produktion af superoxid efter LPS -udløsning.

På denne måde, Bo Dai og kolleger leverede en kompakt, overkommelig platform til fluorescensmikroskopi ved hjælp af en linsebaseret smartphone. Opsætningen tog billeder ved mobilopløsning og et synsfelt (FOV) i en vævsdækkende skala. Mulighederne var afhængige af pixel- og billedsensorstørrelsen i smartphonen; en teknologi, der fortsætter med at udvikle sig. Forskergruppen blev inspireret af foregående forskningsarbejde på en smartphone -linse ved navn DOTlens udviklet andre steder. Det arbejde, der præsenteres her, kan tjene som næste generations multifunktionelle objektivmoduler til felt-bærbare smartphone-mikroskoper. Dai et al. mener, at de observerede applikationer blot er toppen af ​​isbjerget med større potentiale for fremtidige applikationer med HSFM -enheden. De forventer at udvikle farvesammensatte linser til yderligere fluorescerende kanaler for væsentligt at forbedre mulighederne i det omkostningseffektive mikroskop. Forskerne forestiller sig masseproduktion af billige, enkle HFSM -enheder til mobile og tilpassede sundhedsapplikationer på plejestedet.

© 2019 Science X Network