Mikroskop på en chip kunne bringe medicinsk ekspertise til fjerne patienter

Forskere reducerer størrelsen og omkostningerne ved medicinske mikroskoper for at gøre det muligt at bruge dem mere bredt, og tilslut dem til eksperter, der er i stand til at diagnosticere en sygdom, selv fra langt væk.

At blive syg i en fjerntliggende del af verden kan betyde svært ved at finde den rigtige pleje. Selv hvor der kan være lægehjælp, det kan være umuligt at få en endelig diagnose på grund af mangel på specialiseret ekspertise og laboratorieudstyr, såsom mikroskoper.

Avanceret miniaturisering betyder, at patienter kan drage fordel af et 'mikroskop på en chip, "ifølge Dr. Angel Dieguez, universitetslektor i afdelingen for elektronik og biomedicinsk teknik ved universitetet i Barcelona, Spanien.

Han driver et projekt kaldet ChipScope, som bruger nogle af de mindste lyskilder, der nogensinde er fremstillet til at skubbe grænserne for konventionel optik, i en enhed, der potentielt er kompakt nok til at passe i en lomme.

"Det kan være muligt for en modificeret mobiltelefon at have billeder af nano-verden, "Sagde Dr. Dieguez.

Skygge billeder

ChipScopes prototype belyser en vævsprøve ved hjælp af en række små lysemitterende dioder (LED'er) - blandt de mindste, der nogensinde er fremstillet - for at skabe skyggebilleder af prøven. Disse billeder tages derefter ved hjælp af en detektor, der er følsom nok til at detektere enkelte fotoner og behandles til at producere et komplet billede.

Gennem meget præcis styring af disse lysdioder, som er omkring 1, 000 gange mindre end diameteren på et menneskehår, ChipScope -billeddannelsessystemet har en rumlig opløsning på lige under 200 nanometer - hvilket er den sædvanlige grænse for synligt lys.

ChipScope's mikroskop fungerer ved at bruge nogle af de mindste lysdioder, der nogensinde er fremstillet til at skabe skyggebilleder af prøven. Billedkredit - TU Braunschweig

'(Ved) at udløse disse små lysdioder individuelt, og i rækkefølge, vi kan tilføje skyggebillederne for at opbygge et billede af prøven, "Sagde Dr. Dieguez.

I betragtning af det praktiske ved at placere vævsprøver eller bakterier på en så lille detektor, ChipScope arbejder på et lille analyseværktøj til at placere prøven mellem lysdioderne og sensoren.

Mekanismen under udvikling bruger en lille mængde flydende og højpræcisionspumper til at manipulere prøven gennem kanaler i et plastskred og ind i synsfeltet, som er omkring 10 mikron - lige under størrelsen på en gennemsnitlig menneskelig celle.

Mikroskopet kan også bruges til at identificere og studere patogener, såsom tuberkulosebakterier i en patients sputum.

Men uden for det mobile medicinske område, ChipScope kan spille en rolle i miljøovervågning, såsom ved vurdering af vandkvalitet eller undersøgelse af partikler i forurenet luft, Dr. Dieguez siger.

Det kunne let give billeder af luftbårne nanopartikler, herunder de mindre end 2,5 mikron, betragtes som den farligste for menneskers sundhed.

Dr. Dieguez vurderer, at mikroskopet og kontrolelektronikken koster mindre end 1 €, 000 til prototypen, der udvikles, og at yderligere udvikling og stordriftsfordele kan bringe dette ned til så lidt som € 10 eller deromkring.

Mens ChipScope krymper lyskilderne og fanger et eksemplars skygger, endnu et nyt system, udviklet af Grundium i Finland, bruger gentagne scanninger med farvet lys til at samle et digitalt billede, der derefter kan analyseres af en specialist eller intelligent diagnostisk software.

"Enhver, der kan forberede et dias, kan bruge teknologien."

Mika Kuisma, DIREKTØR, Grundium

Rød, grøn og blå

Grundium digitalt scanningsmikroskop laver højopløselige scanninger af en vævsprøve - udført separat i rødt, grønt og blåt lys - som derefter kan kombineres til analyse af prøver på forskellige lag, samt maksimere opløsningen og detaljeringsniveauet.

De digitale billeder kan vises på enhver enhed med en internetforbindelse og en webbrowser, til analyse på stedet eller delt online for at blive undersøgt overalt i verden. Systemet producerer billeder i en række digitale formater, der er kompatible med sofistikerede diagnostiske applikationer, der kan genkende infektionsmønstre eller signaturer af sygdom, såsom kræft, som nogle gange kan gå glip af selv det bedst uddannede menneskelige øje.

Intelligent diagnostik er et stort vækstområde inden for digital medicin, givet en global mangel på patologer og det øgede behov for vævsanalyse-som det fremgår af eksplosionen i efterspørgslen efter sådan ekspertise i den globale COVID-19-pandemi.

Grundiums tilgang er at udvikle og kombinere hardware, optik og software til at arbejde sammen, administrerende direktør Mika Kuisma sagde:frem for at tilpasse en konventionel, analogt system til den digitale verden.

Han anslår kun, at omkring 20% ​​af potentielle brugere såsom patologilaboratorier og små eller mellemstore klinikker har adgang til digitale scanningsværktøjer, og at nedbringelse af omkostninger og størrelse på udstyret kan åbne døren bredere for digital patologi.

"Vi forsøger at demokratisere adgangen til professionelle diagnostiske tjenester, "sagde Kuisma, en ingeniør tidligere hos mobiltelevirksomheden Nokia.

”Potentialet er enormt, " han tilføjede, bemærker, at virksomheden ser et marked på omkring 10, 000 små og mellemstore klinikker eller patologilaboratorier lige i Europa og Nordamerika og et globalt marked på omkring 5 milliarder euro inden 2023.

Når prøverne er blevet scannet og deres billeder gemt og gemt, alle nødvendige oplysninger er tilgængelige til diagnose, uden behov for at bevare eller transportere den originale prøve til et fjernt laboratorium.

Grundiums mikroskop producerer digitale billeder, der kan analyseres på stedet eller deles online for at blive undersøgt overalt i verden. Billedkredit - Mikko Malmivaara, Grundium Ltd.

Kenya

I en pilot af denne tilgang, Grundium har siden 2018 arbejdet med en klinik på landet i Kenya for at diagnosticere livmoderhalskræft. Klinikpersonalet bruger mikroskopet til at scanne vævsprøver, og billederne deles derefter online for øjeblikkeligt at være tilgængelige for undersøgelse af en patolog i Helsinki, Finland. Ved at arbejde med lokale sundhedsmyndigheder, Kuisma mener, at resultaterne vil hjælpe patienter med at få en bedre behandling.

Grundiums produkter er på markedet for omkring € 15, 000, men Kuisma ser dette komme ned med stordriftsfordele og forventer at tilbyde et produkt til mindre end € 10, 000 i de næste par år. Det kan sammenlignes med eksisterende systemer, der kan koste 20 gange så meget.

Selvom det stadig er uden for rækkevidde for mindre klinikker i udviklingslande, Grundium ser mulighed for samarbejde under disse omstændigheder med dygtige partnere - og muligheden for særlige priser, hvor teknologien kan være til gavn.

Prøveforberedelse koster kun et par cent, det samme som for ethvert optisk mikroskop, og kræver ikke en læge, Kuisma sagde, tilføjer, at andre potentielle anvendelser omfatter systemer til brug i veterinærmedicin.

"Enhver, der kan forberede et dias, kan bruge teknologien, " han tilføjede.

Ved at lægge teknologien inden for rækkevidde af klinikker og små eller mellemstore hospitaler, han ser potentiale for at forbinde patienter med smart diagnostik og medicinsk ekspertise, der ellers ville være uden for rækkevidde.