Onderzoekers in de VS en China hebben een methode ontwikkeld om een ​​smartphone om te vormen tot een fluorescentiemicroscoop. Het handheld smartphone-fluorescentiemicroscoop (HSFM) apparaat maakt complexe biomedische analyses zowel snel als goedkoop mogelijk. Conventionele fluorescentiemicroscopen spelen een belangrijke rol bij het detecteren van diverse cellen en eiwitten, maar ze zijn omvangrijk en onhandig voor diagnoses op het punt van zorg. Nu aan het schrijven Licht:wetenschap en toepassingen , Bo Dai en een interdisciplinair onderzoeksteam hebben het gebruik van vloeibare polymeren beschreven om miniatuurlenzen met twee druppels te maken, geverfd met gekleurde oplosmiddelen. De lenzen waren compatibel met verschillende smartphonecamera's. De goedkope, experimentele opstelling stelde hen in staat om cellen te observeren en te tellen, de expressie van fluorescent gelabelde genen volgen en onderscheid maken tussen normale weefsels en tumoren. De gemakkelijk toegankelijke en betaalbare smartphonetechnologie kan bijdragen aan zuinige wetenschap en zal leiden tot een betere toediening van onsite en economisch levensvatbare gepersonaliseerde geneeskunde.

Fluorescentiemicroscopie is alomtegenwoordig in meerdere disciplines, inclusief cel- en moleculaire biologie, de zorgsector, milieumonitoring en voedselhygiëne. In de biomedische en klinische toepassingen, fluorescerende beeldvorming kan cellen detecteren en volgen, eiwitten en andere moleculen van belang met een hoge gevoeligheid en precisie. Conventionele fluorescentiemicroscopen zijn meestal ontworpen met omvangrijke componenten, waardoor ze uiterst uitdagend zijn voor point-of-care-diagnose in regio's met beperkte middelen. Als resultaat, draagbare microscopen zijn een belangrijke ontwikkeling op een ideaal smartphoneplatform voor mobiliteit en toegankelijkheid voor een groot aantal gebruikers.

Onderzoekers hadden eerder op smartphones gebaseerde microscopen gebruikt om menselijke bloedcellen in beeld te brengen, watergedragen parasieten en humaan cytomegalovirus. Voor deze onderzoeksinspanningen omvatten ze belangrijke elementen zoals light-emitting diodes (LED's) voor verlichting, externe lenzen voor optische beeldvorming en vergroting, evenals fluorescentie-emissiefiltering om licht te routeren. Polymeerlenzen zijn eenvoudig te ontwikkelen en bieden een hoog oplossend vermogen om een ​​'doe-het-zelf'-microscoop te bouwen voor toepassingen met beperkte middelen. Echter, vanwege de diverse modellen smartphones die momenteel beschikbaar zijn, onderzoekers willen een bijlage ontwikkelen voor op smartphones gebaseerde microscopie waarvan het ontwerp onafhankelijk is van een specifiek telefoonmodel.

Om deze uitdaging in het huidige werk aan te pakken, Dai et al. ontwikkelde een goedkope handheld smartphone-fluorescentiemicroscoop (HFSM) in een draagbaar formaat. De HRSM gebruikte een enkele compacte en multifunctionele kleurenlens om elk smartphonemodel om te zetten in een fluorescentiemicroscoop zonder het bevestigingsontwerp tussen telefoons te wijzigen. Het experimentele ontwerp verminderde de complexiteit van het HRFM-apparaat en maakte het mogelijk om het op verschillende smartphones te gebruiken. Het product is functioneel consistent op meerdere smartphoneplatforms, makkelijk te besturen, goedkoop, en kan in massa worden geproduceerd. Het onderzoeksteam gebruikte het apparaat om helderveld- en fluorescerende beeldvorming te demonstreren in verschillende bioanalytische toepassingen in cellen en weefsels.

Voor de HFSM-module, Dai et al. inclusief een samengestelde kleurenlens voor zowel beeldvorming als lichtfiltering. Ze ontwikkelden de miniatuurlens met behulp van twee druppels met een hoge brekingsindex, de ene in de andere geverfd met gekleurde oplosmiddelen om het gewenste emissielicht door te geven aan de beeldsensor. De onderzoekers ontwikkelden in het onderzoek twee modellen die ofwel (1) uit de achterkant van de telefoon steken (model I) of (2) in profiel blijven met de telefoon (model II). Voor beide versies is ze omvatten een lensontwerp met gekleurd polydimethylsiloxaan (PDMS) prepolymeer en methylfenylpolymeer (vinyl-getermineerde dimethyldifenylsiloxanen). Om te bepalen hoe de polymeerdruppel zich tijdens het fabricageproces verspreidt, de onderzoekers berekenden de straal van de druppel en de capillaire lengte.

Ze testten en detecteerden eerst de PDMS-druppel om een ​​bolvormige dop te vormen onder invloed van de grensvlakspanningskracht en hielden rekening met verschillende factoren om de interne en externe kromming van de PDMS-dop te bepalen. Daarna, toen ze de smartphone uitrusten met lenzen gemaakt van 3,2 µL polymeerdruppels, de camera kan een lijn van 2,76 µm oplossen. Omdat de polymeerdruppel in vloeibare toestand volledig verzegeld bleef in de stabiele en uitgeharde PDMS-dop, het onderzoeksteam vermeed problemen in verband met externe mechanische trillingen en thermische storingen of chemische verslechteringen tijdens het gebruik. Ze plakten de lens op de camera als onderdeel van de smartphone om ze gemakkelijk mee te nemen, en kan de lens van de camera loskomen om deze te vervangen door een andere aangepaste lens voor beeldvorming.

Het onderzoeksteam ontwikkelde en gebruikte een aangepast verlichtingshulpmiddel in het microscopische beeldvormingsproces om cellen onder witlichtverlichting te observeren en te tellen. Met behulp van de opstelling, ze bekeken kubusvormige en spoelvormige celaggregaten in kleine clusters. Tijdens celtelexperimenten, Dai et al. de afzonderlijke cellen duidelijk onderscheiden en de celconcentratie berekend, die uitstekend overeenkwam met de resultaten verkregen van een commerciële celteller om het HSFM-apparaat te valideren. Daarna, de wetenschappers bebroedden menselijke leverweefsels met fluorescent gelabelde antilichamen om normale of defecte kenmerken te detecteren met behulp van de HSFM uitgerust met een groene lens. Met behulp van de smartphonemicroscoop Dai et al. nauwkeurig geïdentificeerde afbeeldingen van normale weefsels, paratumorweefsels en kankerweefsels. Bijvoorbeeld, een hogere expressie van heldergroene fluorescentie bevestigde de aanwezigheid van abnormale, ziek weefsel.

Het onderzoeksteam gebruikte vervolgens de HSFM met een groene lens om transfectie en de expressie van verbeterd groen fluorescerend eiwit (EGFP; reportergen om fysiologische processen te bestuderen) in een plasmide te volgen. Voor deze, ze transfecteerden het GFP-gelabelde menselijke NLRP3-gen in een 293T menselijke embryonale niercellijn en prikkelden de getransfecteerde cellen met een 480 nm blauw licht voor heldergroene fluorescentie-emissie. Het excitatielicht gefilterd door de groene lens voor fluorescentie-emissie, die Dai et al. vastgelegd als groene vlekken met behulp van de smartphone. De resultaten kwamen goed overeen voor beide lensmodellen (model I en II) ten opzichte van waarden gemeten met een conventionele microscoop.

Dai et al. vervolgens de opstelling gebruikt om de productie van superoxide te kwantificeren; een fysiologische marker van cardiovasculaire en neurodegeneratieve ziekten. Voor deze, ze kleurden een HBEC3-KT menselijke bronchiale epitheelcellijn met MitoSox Red, een fluorogene sonde die zeer selectief superoxide kan detecteren, die ze in dit werk produceerden door HBEC3-KT-cellen te laten interageren met lipopolysacchariden (LPS). Het team observeerde een consistente toename van de gemiddelde fluorescentie-intensiteit van MitoSox Red ter ondersteuning van de verhoogde productie van superoxide na LPS-triggering.

Op deze manier, Bo Dai en medewerkers zorgden voor een compacte, betaalbaar platform voor fluorescentiemicroscopie met behulp van een op lenzen gebaseerde smartphone. De opstelling legde beelden vast met cellulaire resolutie en een gezichtsveld (FOV) op een weefselbrede schaal. De mogelijkheden waren afhankelijk van de pixel- en beeldsensorgrootte in de smartphone; een technologie die blijft evolueren. Het onderzoeksteam liet zich inspireren door eerder onderzoek naar een smartphonelens genaamd de DOTlens die elders is ontwikkeld. Het hier gepresenteerde werk kan dienen als multifunctionele lensmodules van de volgende generatie voor in het veld draagbare smartphonemicroscopen. Dai et al. geloof dat de waargenomen toepassingen slechts het topje van de ijsberg zijn met meer potentieel voor toekomstige toepassingen met het HSFM-apparaat. Ze verwachten de gekleurde samengestelde lenzen te ontwikkelen voor extra fluorescerende kanalen om de mogelijkheden van de kosteneffectieve microscoop aanzienlijk te verbeteren. De wetenschappers stellen zich de massaproductie van goedkope, eenvoudige HFSM-apparaten voor mobiele en aangepaste zorgtoepassingen op het punt van zorg.

© 2019 Wetenschap X Netwerk