Een nieuw systeem ontwikkeld door UCLA-onderzoekers zou het gemakkelijker en goedkoper kunnen maken om chronische ziekten te diagnosticeren, vooral in afgelegen gebieden zonder dure laboratoriumapparatuur.

De technologie maakt gebruik van uiterst eenvoudige optische hardware en een lensloze microscoop, evenals geavanceerde algoritmen die helpen bij het reconstrueren van de afbeeldingen van weefselmonsters. Het zou de broodnodige diagnostische tests beschikbaar en betaalbaar kunnen maken voor mensen in ontwikkelingslanden en afgelegen gebieden die niet over de dure laboratoriumapparatuur beschikken die momenteel wordt gebruikt om weefselbiopten uit te voeren.

Het systeem om biologische monsters transparant te maken, ook wel bekend als "tissue clearing, " en ze vervolgens in beeld te brengen met een lensvrije microscoop, wordt beschreven in een artikel dat vandaag is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , een tijdschrift van de American Association for the Advancement of Science. Het is ontwikkeld door een team onder leiding van Aydogan Ozcan, de UCLA Chancellor's Professor of Electrical and Computer Engineering and Bioengineering en associate director van het California NanoSystems Institute; en Rajan Kulkarni, een assistent-professor geneeskunde en dermatologie aan de David Geffen School of Medicine aan de UCLA, en lid van CNSI.

Weefselbiopsie wordt algemeen beschouwd als de gouden standaard voor het opsporen van ziekten zoals kanker en ontstekingsaandoeningen. Maar de test is relatief duur en complex, en het vereist het gebruik van geavanceerde faciliteiten - een serieuze uitdaging in regio's met beperkte middelen.

Bij een standaardbiopsie weefsel wordt in dunne plakjes gesneden, ongeveer een tiende van de dikte van een mensenhaar en gekleurd met kleurstoffen, zodat medische professionals een microscoop kunnen gebruiken om afwijkingen en zieke cellen op te sporen. Een uitdaging van die aanpak - naast de tijd en kosten die ermee gemoeid zijn - is dat er slechts een klein aantal weefselmonsters tegelijk kan worden geanalyseerd.

"Hoewel de technologische vooruitgang artsen in staat heeft gesteld om op afstand toegang te krijgen tot medische gegevens om diagnoses te stellen, er is nog steeds dringend behoefte aan een betrouwbare, goedkope middelen voor beeldvorming en identificatie van ziekten, met name in omgevingen met weinig middelen, voor pathologie, biomedisch onderzoek en aanverwante toepassingen, ' zei Ozcan.

De onderzoekers maakten weefselmonsters met behulp van een techniek genaamd Clarity, waardoor weefsel transparant wordt, of "wist" het, met behulp van een chemisch proces dat vet verwijdert en eiwitten en DNA achterlaat. De methode vereist typisch fluorescerende kleurstoffen, wat kostbaar kan zijn, om de weefselmonsters te kleuren, maar een nadeel van die kleurstoffen is dat de kleuring de neiging heeft om na verloop van tijd af te nemen, waardoor het voor wetenschappers moeilijker wordt om er informatie uit te halen.

In plaats daarvan, gebruikten de UCLA-onderzoekers gekleurde, lichtabsorberende kleurstoffen die, volgens Kulkarni, kan worden gebruikt met reguliere microscopietools zonder merkbaar signaalverlies in de loop van de tijd.

En in plaats van een machine te gebruiken die doorgaans wordt gebruikt voor biopsietesten (een traditionele microscoop kan meer dan $ 50 kosten, 000), de UCLA-wetenschappers ontwikkelden een nieuw apparaat gemaakt van componenten die samen slechts een paar honderd dollar kosten:een holografische lensvrije microscoop die in staat is om 3D-beelden te produceren met een tiende van de beeldgegevens die conventionele scanning optische microscopen nodig hebben om hetzelfde te doen ding.

De UCLA-methode stelde de wetenschappers ook in staat weefselmonsters te gebruiken die 0,2 millimeter dik waren, meer dan 20 keer dikker dan een typisch monster - een cruciaal voordeel van het nieuwe systeem omdat het produceren van dunnere weefselplakjes moeilijk is zonder geavanceerde apparatuur. Dit stelt wetenschappers ook in staat om een ​​groter monstervolume te bestuderen, die hen zou kunnen helpen om afwijkingen eerder op te sporen dan ze anders zouden doen.

Zo werkt de test:Ten eerste, het gereinigde weefsel wordt in een kleine container op een siliciumchip geplaatst die miljoenen fotodetectoren bevat - hetzelfde type chip dat wordt aangetroffen in camera's van mobiele telefoons. Wanneer er licht op het weefselmonster schijnt, schaduwen met een lage resolutie van het weefselmonster vallen op de chip. Die schaduwen, veroorzaakt door de interferentie van licht dat door het monster wordt verstrooid, hologrammen van het weefselmonster vormen.

Volgende, de onderzoekers verbeteren de resolutie en maken 3D-beeldvorming mogelijk door het monster te verschuiven ten opzichte van de beeldsensor en dezelfde holografische schaduw vast te leggen, waardoor ze verschillende doorsneden digitaal kunnen bekijken, of digitale plakjes, van het weefselmonster.

"Door berekeningen en algoritmen, we hebben een standaard 10-megapixel imager geconverteerd, zoals die vaak worden gebruikt in mobiele telefoons, in een microscoop van een paar honderd megapixels die digitaal door verschillende plakjes van een dik weefselmonster kan kijken, " zei Yibo Zhang, de eerste auteur van de studie en een afgestudeerde student in het laboratorium van Ozcan.

Andere leden van het onderzoeksteam waren Sam Yang, Hongda Wang, Da Teng en Yair Rivenson, alle van de Ozcan Research Group; en Yoonjung Shun, Kevin Sung en Harrison Chen van Kulkarni's lab.