Wetenschappers verminderen de omvang en de kosten van medische microscopen om het mogelijk te maken ze op grotere schaal te gebruiken, en koppel ze aan experts die zelfs van ver weg een ziekte kunnen diagnosticeren.

Ziek worden in een afgelegen deel van de wereld kan problemen met het vinden van de juiste zorg betekenen. Zelfs waar medische hulp beschikbaar is, het kan onmogelijk zijn om een ​​definitieve diagnose te stellen vanwege een gebrek aan specialistische expertise en laboratoriumapparatuur, zoals microscopen.

Geavanceerde miniaturisatie betekent dat patiënten kunnen profiteren van een 'microscoop op een chip, " volgens Dr. Angel Dieguez, hoofddocent bij de afdeling Elektronica en Biomedische Technologie aan de Universiteit van Barcelona, Spanje.

Hij runt een project genaamd ChipScope, die enkele van de kleinste lichtbronnen gebruikt die ooit zijn vervaardigd om de grenzen van conventionele optica te verleggen, in een apparaat dat potentieel compact genoeg is om in een zak te passen.

"Het is mogelijk dat een aangepaste mobiele telefoon afbeeldingen van de nanowereld heeft, ' zei dokter Dieguez.

Schaduwbeelden

Het prototype van ChipScope verlicht een weefselmonster met behulp van een reeks minuscule lichtgevende diodes (LED's) - een van de kleinste die ooit zijn vervaardigd - om schaduwbeelden van het monster te creëren. Deze beelden worden vervolgens vastgelegd met behulp van een detector die gevoelig genoeg is om enkele fotonen te detecteren en verwerkt om een ​​compleet beeld te produceren.

Door een zeer nauwkeurige aansturing van deze LED's, die zijn ongeveer 1, 000 keer kleiner dan de diameter van een mensenhaar, het ChipScope-beeldvormingssysteem heeft een ruimtelijke resolutie van net onder de 200 nanometer, wat de gebruikelijke limiet is bij zichtbaar licht.

De microscoop van ChipScope maakt gebruik van enkele van de kleinste lichtgevende diodes die ooit zijn vervaardigd om schaduwbeelden van het monster te creëren. Afbeelding tegoed—TU Braunschweig

'(Door) deze kleine LED's afzonderlijk te activeren, en in volgorde, we kunnen de schaduwbeelden bij elkaar optellen om een ​​beeld van het monster op te bouwen, ' zei dokter Dieguez.

Gezien de praktische aspecten van het plaatsen van weefselspecimens of bacteriën op zo'n kleine detector, ChipScope werkt aan een kleine analysetool om het monster tussen de LED's en de sensor te positioneren.

Het mechanisme dat in ontwikkeling is, maakt gebruik van een kleine hoeveelheid vloeistof en zeer nauwkeurige pompen om het monster door kanalen in een plastic glijbaan en in het gezichtsveld te manipuleren, dat is ongeveer 10 micron - net onder de grootte van een gemiddelde menselijke cel.

De microscoop kan ook worden gebruikt om ziekteverwekkers te identificeren en te bestuderen, zoals tuberculosebacteriën in het sputum van een patiënt.

Maar buiten het mobiele medische veld, ChipScope zou een rol kunnen spelen bij milieumonitoring, zoals bij het beoordelen van de waterkwaliteit of het onderzoeken van fijnstof in vervuilde lucht, Dr Dieguez zegt.

Het kan gemakkelijk beelden opleveren van nanodeeltjes in de lucht, inclusief die kleiner dan 2,5 micron, beschouwd als het gevaarlijkst voor de menselijke gezondheid.

Dr. Dieguez schat dat de microscoop en controle-elektronica minder dan €1 kosten, 000 voor het prototype dat wordt ontwikkeld, en dat verdere ontwikkeling en schaalvoordelen dit kunnen terugbrengen tot slechts € 10 of zo.

Terwijl ChipScope de lichtbronnen verkleint en de schaduwen van een specimen vangt, een ander nieuw systeem, ontwikkeld door Grundium uit Finland, gebruikt herhaalde scans met gekleurd licht om een ​​digitaal beeld samen te stellen dat vervolgens kan worden geanalyseerd door een specialist of intelligente diagnostische software.

"Iedereen die een dia kan voorbereiden, kan de technologie gebruiken."

Mika Kuisma, DIRECTEUR, Grundium

Rood, groen en blauw

De digitale scanningmicroscoop van Grundium maakt scans met hoge resolutie van een weefselmonster - afzonderlijk uitgevoerd in rood, groen en blauw licht - dat vervolgens kan worden gecombineerd om monsters op verschillende lagen te analyseren, evenals het maximaliseren van de resolutie en het detailniveau.

De digitale beelden kunnen worden weergegeven op elk apparaat met een internetverbinding en een webbrowser, voor analyse ter plaatse of online gedeeld om overal ter wereld te bestuderen. Het systeem produceert beelden in een reeks digitale formaten die compatibel zijn met geavanceerde diagnostische toepassingen die infectiepatronen of ziektebeelden kunnen herkennen, zoals kanker, die soms zelfs door het best getrainde menselijk oog kan worden gemist.

Intelligente diagnostiek is een belangrijk groeigebied in digitale geneeskunde, gezien een wereldwijd tekort aan pathologen en de toegenomen behoefte aan weefselanalyse – zoals blijkt uit de explosie van de vraag naar dergelijke expertise in de wereldwijde COVID-19-pandemie.

De aanpak van Grundium is het ontwikkelen en combineren van hardware, optica en software om samen te werken, CEO Mika Kuisma zei:in plaats van een conventionele, analoog systeem naar de digitale wereld.

Hij schat dat slechts ongeveer 20% van de potentiële gebruikers, zoals pathologielaboratoria en kleine of middelgrote klinieken, toegang heeft tot digitale scantools, en dat het verlagen van de kosten en de omvang van de apparatuur de deur naar digitale pathologie verder kan openen.

"We proberen de toegang tot professionele diagnostische diensten te democratiseren, " zei Kuisma, een ingenieur die voorheen bij het mobiele telecommunicatiebedrijf Nokia was.

"Het potentieel is enorm, " hij voegde toe, opmerkend dat het bedrijf een markt van ongeveer 10 ziet, 000 kleine en middelgrote klinieken of pathologielaboratoria alleen al in Europa en Noord-Amerika en een wereldwijde markt van ongeveer € 5 miljard in 2023.

Nadat de monsters zijn gescand en hun afbeeldingen zijn opgeslagen en opgeslagen, alle benodigde informatie is beschikbaar voor diagnose, zonder dat het originele monster hoeft te worden bewaard of naar een afgelegen laboratorium moet worden vervoerd.

De microscoop van Grundium produceert digitale beelden die ter plaatse kunnen worden geanalyseerd of online kunnen worden gedeeld om overal ter wereld te worden bestudeerd. Afbeelding tegoed:Mikko Malmivaara, Grundium Ltd

Kenia

In een pilot van deze aanpak Grundium werkt sinds 2018 samen met een kliniek op het platteland van Kenia om baarmoederhalskanker te diagnosticeren. Ziekenhuispersoneel gebruikt de microscoop om weefselmonsters te scannen en de beelden worden vervolgens online gedeeld om direct beschikbaar te zijn voor onderzoek door een patholoog in Helsinki, Finland. Door samen te werken met lokale gezondheidsautoriteiten, Kuisma gelooft dat de resultaten patiënten zullen helpen een betere behandeling te krijgen.

De producten van Grundium zijn op de markt voor ongeveer €15,- 000, maar Kuisma ziet dit gepaard gaan met schaalvoordelen en verwacht een product aan te bieden voor minder dan €10,- 000 in de komende jaren. Dat in vergelijking met bestaande systemen die 20 keer zoveel kunnen kosten.

Hoewel dat misschien nog steeds onbereikbaar is voor kleinere klinieken in ontwikkelingslanden, Grundium ziet in die omstandigheden ruimte voor samenwerking met capabele partners - en de mogelijkheid van speciale tarieven waarbij de technologie van pas kan komen.

Monstervoorbereiding kost slechts een paar cent, hetzelfde als voor elke optische microscoop, en geen medisch specialist nodig, Kuisma zei, eraan toevoegend dat andere mogelijke toepassingen systemen voor gebruik in de diergeneeskunde omvatten.

"Iedereen die een dia kan voorbereiden, kan de technologie gebruiken, " hij voegde toe.

Door de technologie binnen het bereik van klinieken en kleine of middelgrote ziekenhuizen te brengen, hij ziet mogelijkheden om patiënten te koppelen met slimme diagnostiek en medische expertise die anders onbereikbaar zou zijn.