Ingeniører opdager og måler individuelle DNA-molekyler ved hjælp af smartphonemikroskop

Fluorescensmikroskoper bruger teknologi, der gør dem i stand til at udføre opgaver, der ikke er lette at opnå med normale lysmikroskoper, herunder billeddannelse af DNA-molekyler til at opdage og diagnosticere kræft, forstyrrelser i nervesystemet såsom Alzheimers sygdom, og lægemiddelresistens ved infektionssygdomme.

Disse mikroskoper virker ved at mærke prøverne med fluorescerende molekyler, der er "ophidset" med en laser. Denne proces afgiver forskelligt farvet lys, som mikroskopet registrerer og bruger til at bygge billeder af fluorescerende mærkede prøver, visualisere genstande, der er 100 til 1000 gange mindre end diameteren af ​​menneskehår. Disse fluorescerende mikroskoper er dyre, omfangsrig og relativt kompliceret, gør dem typisk kun tilgængelige i højteknologiske laboratorier.

Nu har forskere fra UCLAs California NanoSystems Institute rapporteret den første demonstration af billeddannelse og måling af størrelsen af ​​individuelle DNA-molekyler ved hjælp af en let og kompakt enhed, der konverterer en almindelig smartphone til et avanceret fluorescensmikroskop.

Anført af Aydogan Ozcan, associeret direktør for UCLA California NanoSystems Institute og kanslers professor i elektroteknik og bioteknik ved UCLA Henry Samueli School of Engineering and Applied Science, forskerholdet offentliggjorde sine resultater online den 10. december i tidsskriftet ACS Nano .

Den mobile mikroskopienhed er en billig, 3-D-printet optisk enhed, der bruger telefonens kamera til at visualisere og måle længden af ​​enkeltmolekyle DNA-strenge. Enheden inkluderer en vedhæftning, der skaber en høj kontrast, mørkfeltsbilledopsætning ved hjælp af en billig ekstern linse, tyndfilm interferensfiltre, et miniature svalehaletrin og en laserdiode, der exciterer de fluorescensmærkede DNA-molekyler.

Enheden inkluderer også en app, der forbinder smartphonen til en server på UCLA, som måler længderne af de enkelte DNA-molekyler. Molekylerne er mærket og strækket på engangschips, der passer i smartphone-tilslutningen.

Applikationen sender de rå billeder til serveren, som hurtigt måler længden af ​​hver DNA-streng. Resultaterne af DNA-detektion og længdemåling kan ses på mobiltelefonen og på fjerncomputere, der er knyttet til UCLA-serveren.

"Evnen til at oversætte disse og andre eksisterende mikroskopi- og sanseteknikker til feltbærbare, omkostningseffektive og high-throughput instrumenter kan muliggøre utallige nye applikationer til point-of-care medicin og global sundhed, " sagde Ozcan, som også er HHMI-professor ved Howard Hughes Medical Institute. Han fortsatte med at sige, at disse enheder kunne have vidtrækkende positiv indvirkning på forsknings- og uddannelsesindsatsen i udviklingslande eller ressourcebegrænsede institutioner, hjælpe med at demokratisere avancerede videnskabelige instrumenter og måleværktøjer.

Ozcans laboratorium har specialiseret sig i computational imaging, sensor- og diagnoseudstyr til forskellige mobil-sundheds- og telemedicinske applikationer og deres tidligere arbejde omfatter hurtig analyse af fødevareprøver for allergener, vandprøver til tungmetaller og bakterier, celletal i blodprøver og bruge Google Glass til at behandle diagnostiske testresultater. Den første forfatter til denne forskning er Qingshan Wei, en postdoc forsker ved UCLA Engineering og CNSI, som har arbejdet på Ozcans laboratorium med mobiltelefonbaseret fluorescerende mikroskopi og dets biomedicinske og miljømæssige applikationer.