Gli scienziati stanno riducendo le dimensioni e i costi dei microscopi medici per consentirne un uso più ampio, e collegarli ad esperti in grado di diagnosticare una malattia anche da lontano.

Ammalarsi in una parte remota del mondo può significare difficoltà a trovare le cure giuste. Anche dove può essere disponibile assistenza medica, potrebbe essere impossibile ottenere una diagnosi definitiva a causa della mancanza di competenze specialistiche e attrezzature di laboratorio, come i microscopi.

La miniaturizzazione avanzata significa che i pazienti possono beneficiare di un "microscopio su un chip, " secondo il dottor Angel Dieguez, docente presso il Dipartimento di Elettronica e Ingegneria Biomedica dell'Università di Barcellona, Spagna.

Gestisce un progetto chiamato ChipScope, che utilizza alcune delle sorgenti luminose più piccole mai prodotte per spingere i limiti dell'ottica convenzionale, in un dispositivo potenzialmente abbastanza compatto da stare in una tasca.

"Potrebbe essere possibile per un telefono cellulare modificato avere immagini del nano-mondo, " Ha detto il dottor Dieguez.

Immagini ombra

Il prototipo di ChipScope illumina un campione di tessuto utilizzando una serie di minuscoli diodi a emissione di luce (LED), tra i più piccoli mai prodotti, per creare immagini di ombre del campione. Queste immagini vengono quindi catturate utilizzando un rilevatore sufficientemente sensibile da rilevare singoli fotoni ed elaborate per produrre un'immagine completa.

Attraverso un controllo molto preciso di questi LED, che sono circa 1, 000 volte più piccolo del diametro di un capello umano, il sistema di imaging ChipScope ha una risoluzione spaziale di poco inferiore a 200 nanometri, che è il limite normale con la luce visibile.

Il microscopio di ChipScope funziona utilizzando alcuni dei più piccoli diodi emettitori di luce mai prodotti per creare immagini di ombre del campione. Credito immagine—TU Braunschweig

'(Attraverso) l'attivazione di questi minuscoli LED individualmente, e in sequenza, possiamo sommare le immagini ombra per costruire un'immagine del campione, " Ha detto il dottor Dieguez.

Data la praticità di posizionare campioni di tessuto o batteri su un rilevatore così piccolo, ChipScope sta lavorando a un piccolo strumento di analisi per posizionare il campione tra i LED e il sensore.

Il meccanismo in fase di sviluppo utilizza una piccola quantità di liquido e pompe ad alta precisione per manipolare il campione attraverso i canali in un vetrino di plastica e nel campo visivo, che è di circa 10 micron, poco meno delle dimensioni di una cellula umana media.

Il microscopio potrebbe essere utilizzato anche per identificare e studiare gli agenti patogeni, come i batteri della tubercolosi nell'espettorato di un paziente.

Ma al di fuori del campo medico mobile, ChipScope potrebbe svolgere un ruolo nel monitoraggio ambientale, ad esempio nella valutazione della qualità dell'acqua o nell'esame del particolato nell'aria inquinata, dice il dottor Dieguez.

Potrebbe fornire prontamente immagini di nanoparticelle sospese nell'aria, compresi quelli inferiori a 2,5 micron, considerato il più pericoloso per la salute umana.

Il dottor Dieguez stima che il microscopio e l'elettronica di controllo costino meno di 1 euro. 000 per il prototipo in fase di sviluppo, e che un ulteriore sviluppo ed economie di scala potrebbero ridurlo a circa 10 euro.

Mentre ChipScope riduce le sorgenti luminose e cattura le ombre di un esemplare, un altro nuovo sistema, sviluppato da Grundium di Finlandia, utilizza scansioni ripetute con luce colorata per assemblare un'immagine digitale che può quindi essere analizzata da uno specialista o da un software diagnostico intelligente.

"Chiunque sia in grado di preparare una diapositiva può utilizzare la tecnologia".

Mika Kuisma, AMMINISTRATORE DELEGATO, Grundium

Rosso, verde e blu

Il microscopio a scansione digitale Grundium esegue scansioni ad alta risoluzione di un campione di tessuto, eseguite separatamente in rosso, luce verde e blu, che possono quindi essere combinate per analizzare campioni a strati diversi, oltre a massimizzare la risoluzione e il livello di dettaglio.

Le immagini digitali possono essere visualizzate su qualsiasi dispositivo dotato di connessione internet e browser web, per analisi in loco o condivise online da studiare ovunque nel mondo. Il sistema produce immagini in una gamma di formati digitali compatibili con applicazioni diagnostiche sofisticate in grado di riconoscere modelli di infezione o segni di malattia, come il cancro, che a volte può sfuggire anche all'occhio umano più allenato.

La diagnostica intelligente è una delle principali aree di crescita della medicina digitale, data una carenza globale di patologi e la crescente necessità di analisi dei tessuti, come dimostrato dall'esplosione della domanda di tale esperienza nella pandemia globale di COVID-19.

L'approccio di Grundium è quello di sviluppare e combinare hardware, ottica e software per lavorare insieme, l'amministratore delegato Mika Kuisma ha dichiarato:piuttosto che adattare un convenzionale, sistema analogico al mondo digitale.

Stima che solo il 20% circa dei potenziali utenti come laboratori di patologia e cliniche di piccole o medie dimensioni abbia accesso a strumenti di scansione digitale, e che l'abbattimento dei costi e delle dimensioni delle apparecchiature può aprire le porte alla patologia digitale.

"Stiamo cercando di democratizzare l'accesso ai servizi di diagnostica professionale, " disse Kuisma, un ingegnere precedentemente presso la società di telecomunicazioni mobili Nokia.

"Il potenziale è enorme, " Ha aggiunto, rilevando che l'azienda vede un mercato di circa 10, 000 cliniche o laboratori di patologia di piccole e medie dimensioni solo in Europa e Nord America e un mercato globale di circa 5 miliardi di euro entro il 2023.

Una volta che i campioni sono stati scansionati e le loro immagini salvate e archiviate, tutte le informazioni necessarie sono disponibili per la diagnosi, senza la necessità di conservare o trasportare il campione originale in un laboratorio lontano.

Il microscopio di Grundium produce immagini digitali che possono essere analizzate in loco o condivise online per essere studiate in qualsiasi parte del mondo. Credito immagine:Mikko Malmivaara, Grundium Ltd

Kenia

In un pilota di questo approccio, Grundium ha lavorato con una clinica nel Kenya rurale dal 2018 per diagnosticare il cancro cervicale. Il personale della clinica utilizza il microscopio per scansionare campioni di tessuto e le immagini vengono quindi condivise online per essere immediatamente disponibili per l'esame da parte di un patologo a Helsinki, Finlandia. Collaborando con le autorità sanitarie locali, Kuisma crede che i risultati aiuteranno i pazienti a ottenere un trattamento migliore.

I prodotti Grundium sono sul mercato a circa 15€, 000, ma Kuisma vede che questo si riduce con economie di scala e si aspetta di offrire un prodotto per meno di € 10, 000 nei prossimi anni. Ciò è paragonabile ai sistemi esistenti che possono costare 20 volte tanto.

Sebbene ciò possa ancora essere fuori portata per le cliniche più piccole nei paesi in via di sviluppo, Grundium vede la possibilità di collaborare in tali circostanze con partner capaci e la possibilità di tariffe speciali in cui la tecnologia potrebbe essere vantaggiosa.

La preparazione del campione costa solo pochi centesimi, lo stesso di qualsiasi microscopio ottico, e non richiede un medico specialista, Kuisma ha detto, aggiungendo che altre potenziali applicazioni includono sistemi per l'uso in medicina veterinaria.

"Chiunque sia in grado di preparare una diapositiva può utilizzare la tecnologia, " Ha aggiunto.

Mettendo la tecnologia alla portata di cliniche e ospedali di piccole o medie dimensioni, vede il potenziale per collegare i pazienti con diagnosi intelligenti e competenze mediche che altrimenti sarebbero fuori portata.