Besmettelijke ziekten zoals malaria blijven in veel regio's een belangrijke doodsoorzaak. Dit komt deels doordat mensen daar geen toegang hebben tot medische diagnostische hulpmiddelen die deze ziekten (en een scala aan niet-infectieuze ziekten) in een vroeg stadium kunnen detecteren, wanneer er meer ruimte is voor behandeling.

Het is een uitdaging die wetenschappers zijn aangegaan, met als doel de gezondheidszorg voor economisch achtergestelde mensen over de hele wereld te democratiseren.

Mijn collega's en ik hebben een nieuwe methode ontwikkeld voor het onderzoek van biologische cellen die klein genoeg is om in een smartphonelens te passen.

Hoewel we het tot nu toe alleen in het laboratorium hebben getest, hopen we dat deze nanotechnologie in de toekomst ziektedetectie mogelijk kan maken in echte medische omgevingen met alleen een mobiel apparaat. We hopen dat ons werk uiteindelijk kan helpen miljoenen levens te redden.

Hoe een biologische cel te onderzoeken

Het kunnen onderzoeken van biologische cellen door optische microscopen is een fundamenteel onderdeel van de medische diagnostiek.

Dit komt omdat specifieke veranderingen in cellen die onder een microscoop kunnen worden waargenomen, vaak wijzen op ziekten. In het geval van malaria, bijvoorbeeld, omvat de gouden standaard detectiemethode het gebruik van microscoopbeelden om specifieke veranderingen in de rode bloedcellen van een patiënt te identificeren.

Maar biologische cellen kunnen zich goed verstoppen. Veel van hun interne kenmerken zijn praktisch transparant en bijna onzichtbaar voor conventionele microscopen. Om deze functies zichtbaar te maken, moeten we trucjes toepassen.

Een manier is om een ​​soort chemische kleuring te introduceren, die contrast toevoegt aan de transparante kenmerken van cellen.

Andere benaderingen gebruiken een proces dat "fasebeeldvorming" wordt genoemd. Fasebeeldvorming maakt gebruik van het feit dat licht dat door de cel is gegaan informatie bevat over de transparante delen van de cel - en deze informatie zichtbaar maakt voor het menselijk oog.

Conventionele fasebeeldvormingsmethoden zijn afhankelijk van een reeks omvangrijke componenten zoals prisma's en interferentie-opstellingen, die duizenden dollars kosten. Ook kan dure en omvangrijke apparatuur niet gemakkelijk beschikbaar worden gemaakt in afgelegen regio's en economisch achtergestelde landen.

Betreed nanotechnologie

Een belangrijke wetenschappelijke inspanning is momenteel gericht op het gebruik van nanotechnologie om traditionele grote optische componenten te vervangen.

Dit wordt gedaan door nanometerdikke apparaten te maken met het potentieel voor goedkope massaproductie. Deze apparaten kunnen in de toekomst worden geïntegreerd in mobiele apparaten, zoals smartphonecamera's.

In het specifieke geval van fasebeeldvorming konden wetenschappers voorheen alleen systemen ontwikkelen die:

• zijn afhankelijk van tijdrovende computationele nabewerking, waardoor het proces complexer wordt en realtime beeldvorming niet mogelijk is
• gebruik nog steeds mechanisch bewegende of roterende onderdelen. Vanwege de ruimtevereisten van deze onderdelen zijn ze niet compatibel met volledig platte optische componenten en ultracompacte integratie.

We hebben een apparaat ontwikkeld dat onmiddellijke fase-beeldvorming kan uitvoeren zonder deze beperkingen. Onze oplossing is slechts een paar honderd nanometer dik en zou in cameralenzen kunnen worden geïntegreerd, in de vorm van een platte film bovenop de lens.

Hoe we het deden

We schreven een nanostructuur in een zeer dunne film (minder dan 200 nanometer dik) die fasebeeldvorming mogelijk maakt met behulp van een effect dat soms wordt aangeduid als 'optische spin-baankoppeling'.

Het werkingsprincipe is eenvoudig. Bovenop het apparaat wordt een transparant object geplaatst, zoals een biologische cel. Er schijnt licht door de cel en de voorheen onzichtbare structuur van de cel wordt aan de andere kant zichtbaar.

In onze recente publicatie in ACS Photonics , beschrijven we hoe we met succes het gebruik van deze methode hebben gedemonstreerd in een laboratoriumomgeving, met kunstmatig gegenereerde transparante objecten. De objecten waren slechts enkele micrometers groot en daarmee vergelijkbaar met biologische cellen.

Aangezien deze methode fasebeeldvorming mogelijk maakt, maar niet de vergroting van kleine objecten zoals cellen behandelt, zijn er momenteel nog steeds omvangrijke lenzen nodig om vergroting te bieden. We hebben er echter alle vertrouwen in dat ons apparaat in de toekomst kan worden geïntegreerd met platte lenzen, voortkomend uit andere ontwikkelingen in nanotechnologie.

Waar zou het ons kunnen leiden?

Een uitdaging met het huidige prototype van het apparaat zijn de fabricagekosten van ongeveer A $ 1.000. We gebruikten verschillende kostbare nanofabricagemethoden die ook worden gebruikt voor de fabricage van computerchips.

Dat gezegd hebbende, denken we dat we, door gebruik te maken van de schaalvoordelen die gepaard gaan met de productie van chips, de komende jaren een snelle en goedkope productie van dit apparaat kunnen bereiken.

Tot nu toe hebben we dit alleen in het lab gedaan. Om de technologie beschikbaar te zien komen in medische mobiele apparaten, is samenwerking nodig met ingenieurs en medische wetenschappers die gespecialiseerd zijn in de ontwikkeling van dergelijke hulpmiddelen.

Onze langetermijnvisie voor de technologie is om mobiele apparaten in staat te stellen biologische specimens te onderzoeken op een manier die tot nu toe niet mogelijk was.

Behalve dat het medische diagnostiek op afstand mogelijk maakt, kan het ook ziektedetectie thuis bieden, waarbij een patiënt zijn eigen monster via speeksel of een speldenprikje bloed kan verkrijgen en het beeld naar een laboratorium overal ter wereld kan sturen. + Verder verkennen

Nieuwe nanotech imaging-tool maakt diagnose van smartphoneziekte mogelijk

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.