Een draagbare holografische veldmicroscoop, ontwikkeld door optische ingenieurs van UConn, zou medische professionals een snel en betrouwbaar nieuw hulpmiddel kunnen bieden voor de identificatie van zieke cellen en andere biologische specimens.

Het apparaat, vermeld in een recent artikel gepubliceerd door Toegepaste optica , maakt gebruik van de nieuwste technologie voor digitale camerasensoren, geavanceerde optische techniek, computationele algoritmen, en statistische analyse voor snelle geautomatiseerde identificatie van zieke cellen.

Een mogelijke veldtoepassing voor de microscoop is het helpen van medische hulpverleners bij het identificeren van patiënten met malaria in afgelegen gebieden van Afrika en Azië waar de ziekte endemisch is.

Snelle en nauwkeurige detectie van malaria is van cruciaal belang als het gaat om de behandeling van patiënten en het voorkomen van uitbraken van de door muggen overgedragen ziekte, die in 2015 wereldwijd meer dan 200 miljoen mensen infecteerde volgens de Centers for Disease Control. Laboratoriumanalyse van een bloedmonster blijft de gouden standaard voor het bevestigen van een malariadiagnose. Toch kan de toegang tot opgeleide technici en de benodigde apparatuur in die regio's moeilijk en onbetrouwbaar zijn.

De potentiële toepassingen van de microscoop gaan veel verder dan de velddiagnose van malaria. De gedetailleerde hologrammen die door het instrument worden gegenereerd, kunnen ook worden gebruikt in ziekenhuizen en andere klinische instellingen voor snelle analyse van celmorfologie en celfysiologie die verband houden met kanker, hepatitis, hiv, sikkelcelziekte, hartziekte, en andere ziekten, zeggen de ontwikkelaars.

Bij het controleren op de aanwezigheid van ziekte, de meeste ziekenhuizen vertrouwen momenteel op speciale laboratoria die verschillende tests uitvoeren voor celanalyse en identificatie. Maar die aanpak kost veel tijd, duur, en arbeidsintensief. Het moet ook worden gedaan door bekwame technici die met de juiste apparatuur werken.

"Ons optische instrument verkort de tijd die nodig is om deze informatie te verwerken van dagen tot minuten, " zegt Bahram Javidi, Board of Trustees Distinguished Professor in de afdeling Electrical and Computer Engineering en senior ontwikkelaar van de microscoop. "En mensen die de tests uitvoeren, hoeven geen experts te zijn, omdat de algoritmen bepalen of een resultaat positief of negatief is."

Het onderzoeksteam overlegde met hematologen, en de algoritmen die met het instrument worden gebruikt, kunnen een monster vergelijken met de bekende kenmerken van gezonde cellen en de bekende kenmerken van zieke cellen om een ​​juiste identificatie te maken. "Het is allemaal heel snel gedaan, ' zegt Javidi.

Hoe het apparaat werkt

Als het gaat om het identificeren van patiënten met malaria, zo werkt het apparaat:een dun uitstrijkje van het bloedmonster van een patiënt wordt op een glazen kant geplaatst, die voor analyse onder de microscoop wordt gelegd. Het monster wordt blootgesteld aan een monochromatische lichtstraal die wordt gegenereerd door een laserdiode of een andere lichtbron. Speciale componenten en optische technologieën in de microscoop splitsen de lichtbundel in twee bundels om een ​​digitaal hologram van de rode bloedcellen in het monster op te nemen. Een beeldsensor, zoals een digitale webcam of mobiele telefooncamera, verbonden met de 3D-microscoop legt het hologram vast. Vanaf daar, de vastgelegde gegevens kunnen via internet worden overgebracht naar een laptopcomputer of een externe laboratoriumdatabase. Geladen met speciale algoritmen, de hardware van de computer of het mobiele apparaat reconstrueert een 3D-profiel van de cel en meet de interactie van licht met de te inspecteren cel. Alle zieke cellen worden geïdentificeerd met behulp van computerpatroonherkenningssoftware en statistische analyse.

Rode bloedcellen die zijn geïnfecteerd met de malaria-veroorzakende Plasmodium-parasiet vertonen andere eigenschappen dan gezonde bloedcellen wanneer er licht doorheen gaat, zegt Javidi.

"Licht gedraagt ​​zich anders wanneer het door een gezonde cel gaat dan wanneer het door een zieke cel gaat, " zegt Javidi. "De geavanceerde sensoren van vandaag kunnen die subtiele verschillen detecteren, en het zijn die variaties op nanoschaal die we met deze microscoop kunnen meten."

Conventionele lichtmicroscopen registreren alleen de geprojecteerde beeldintensiteit van een object, en hebben beperkte mogelijkheden voor het visualiseren van de gedetailleerde kwantitatieve karakteriseringen van cellen. De digitale hologrammen verkregen door UConn's 3D-microscoop, anderzijds, unieke structurele kenmerken van individuele cellen op micro- en nanoschaal vastleggen met veel detail en helderheid. Met die verbeterde beelden kunnen medische professionals en onderzoekers de dikte van een individuele cel meten, volume, oppervlakte, en droge massa, evenals andere structurele en fysiologische veranderingen in een cel of groepen cellen in de loop van de tijd - die allemaal kunnen helpen bij de identificatie van ziekten, behandeling, en onderzoek. Bijvoorbeeld, het apparaat zou onderzoekers kunnen helpen om te zien of nieuwe medicijnen cellen positief of negatief beïnvloeden tijdens klinische onderzoeken.

De technieken die met de holografische microscoop worden geassocieerd, zijn ook niet-invasief, het benadrukken van het potentiële gebruik ervan voor kwantitatieve analyse op lange termijn van levende cellen.

Conventionele methoden voor het testen van bloedmonsters op ziekten omvatten vaak etikettering, wat betekent dat het monster wordt behandeld met een chemisch middel om identificatie te vergemakkelijken. In het geval van malaria, rode bloedcellen worden meestal behandeld met een Giemsa-kleuring die reageert op eiwitten die worden geproduceerd door malaria-dragende parasieten en ze zo identificeert. Maar het introduceren van een chemische stof in een levende cel kan zijn gedrag veranderen of beschadigen.

"Als je een in vitro inspectie van stamcellen doet, bijvoorbeeld, en je introduceert een chemisch middel, je riskeert die cellen te beschadigen. En dat kun je niet doen, omdat je die cellen op een gegeven moment misschien in het menselijk lichaam wilt introduceren, "zegt Javidi. "Ons instrument is niet afhankelijk van etikettering, en vermijdt daarom dat probleem."

De holografische microscoop is ontwikkeld in UConn's nieuwe Multidimensional Optical Sensing &Imaging Systems of MOSIS lab, waar Javidi als regisseur fungeert. Het MOSIS-lab integreert optica, fotonica, en computationele algoritmen en systemen om de wetenschap en techniek van beeldvorming te bevorderen van nano- tot macroschalen.

Een uitgebreid rapport over het werk van het MOSIS-lab met 3D optische beeldvorming voor medische diagnostiek werd vorig jaar gepubliceerd in Procedures van de IEEE , het best gerangschikte tijdschrift voor elektrotechniek en elektronica.