Un microscopio da campo olografico portatile sviluppato dagli ingegneri ottici di UConn potrebbe fornire ai professionisti del settore medico un nuovo strumento rapido e affidabile per l'identificazione di cellule malate e altri campioni biologici.

Il dispositivo, descritto in un recente articolo pubblicato da Ottica applicata , utilizza la più recente tecnologia di sensori per fotocamere digitali, ingegneria ottica avanzata, algoritmi di calcolo, e analisi statistica per fornire una rapida identificazione automatizzata delle cellule malate.

Una potenziale applicazione sul campo per il microscopio sta aiutando gli operatori sanitari a identificare i pazienti affetti da malaria in aree remote dell'Africa e dell'Asia dove la malattia è endemica.

Il rilevamento rapido e accurato della malaria è fondamentale quando si tratta di curare i pazienti e prevenire le epidemie della malattia trasmessa dalle zanzare, che ha contagiato più di 200 milioni di persone nel mondo nel 2015, secondo i Centers for Disease Control. L'analisi di laboratorio di un campione di sangue rimane il gold standard per confermare una diagnosi di malaria. Tuttavia, l'accesso a tecnici qualificati e alle attrezzature necessarie può essere difficile e inaffidabile in quelle regioni.

Le potenziali applicazioni del microscopio vanno ben oltre la diagnosi sul campo della malaria. Gli ologrammi dettagliati generati dallo strumento possono essere utilizzati anche negli ospedali e in altri ambienti clinici per l'analisi rapida della morfologia cellulare e della fisiologia cellulare associata al cancro, epatite, HIV, anemia falciforme, cardiopatia, e altre malattie, dicono gli sviluppatori.

Nel controllare la presenza di malattia, la maggior parte degli ospedali attualmente si affida a laboratori dedicati che conducono vari test per l'analisi e l'identificazione delle cellule. Ma questo approccio richiede tempo, caro, e laboriosa. Deve anche essere fatto da tecnici specializzati che lavorano con l'attrezzatura giusta.

"Il nostro strumento ottico riduce il tempo necessario per elaborare queste informazioni da giorni a minuti, "dice Bahram Javidi, Professore illustre del Consiglio di fondazione presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica e sviluppatore senior del microscopio. "E le persone che eseguono i test non devono essere esperti, perché gli algoritmi determineranno se un risultato è positivo o negativo".

Il team di ricerca si è consultato con ematologi, e gli algoritmi utilizzati con lo strumento sono in grado di confrontare un campione con le caratteristiche note delle cellule sane e le caratteristiche note delle cellule malate al fine di effettuare una corretta identificazione. "È tutto fatto molto velocemente, " dice Giavidi.

Come funziona il dispositivo

Quando si tratta di identificare i pazienti con la malaria, ecco come funziona il dispositivo:uno striscio sottile dal campione di sangue di un paziente viene posizionato su un lato di vetro, che viene messo al microscopio per l'analisi. Il campione viene esposto a un raggio di luce monocromatico generato da un diodo laser o da un'altra sorgente luminosa. Componenti speciali e tecnologie ottiche all'interno del microscopio dividono il raggio di luce in due raggi per registrare un ologramma digitale dei globuli rossi nel campione. Un sensore di immagine, come una webcam digitale o una fotocamera del cellulare, collegato al microscopio 3D cattura l'ologramma. Da li, i dati acquisiti possono essere trasferiti a un computer portatile oa un database di laboratorio fuori sede via Internet. Caricato con algoritmi dedicati, l'hardware del computer o del dispositivo mobile ricostruisce un profilo 3D della cella e misura l'interazione della luce con la cella in esame. Eventuali cellule malate vengono identificate utilizzando un software di riconoscimento del modello del computer e analisi statistiche.

I globuli rossi infettati dal parassita Plasmodium che causa la malaria mostrano proprietà diverse rispetto ai globuli sani quando la luce li attraversa, dice Javidi.

"La luce si comporta in modo diverso quando passa attraverso una cellula sana rispetto a quando passa attraverso una cellula malata, " dice Javidi. "I sensori avanzati di oggi sono in grado di rilevare quelle sottili differenze, e sono quelle variazioni su scala nanometrica che siamo in grado di misurare con questo microscopio".

I microscopi ottici convenzionali registrano solo l'intensità dell'immagine proiettata di un oggetto, e hanno una capacità limitata di visualizzare le caratterizzazioni quantitative dettagliate delle cellule. Gli ologrammi digitali acquisiti dal microscopio 3-D di UConn, d'altra parte, cattura le caratteristiche strutturali uniche su micro e nanoscala delle singole cellule con grande dettaglio e chiarezza. Queste immagini migliorate consentono ai professionisti medici e ai ricercatori di misurare lo spessore di una singola cellula, volume, superficie, e massa secca, così come altri cambiamenti strutturali e fisiologici in una cellula o in gruppi di cellule nel tempo - tutto ciò può aiutare nell'identificazione della malattia, trattamento, e ricerca. Ad esempio, il dispositivo potrebbe aiutare i ricercatori a vedere se i nuovi farmaci hanno un impatto positivo o negativo sulle cellule durante gli studi clinici.

Anche le tecniche associate al microscopio olografico sono non invasive, evidenziando il suo potenziale utilizzo per l'analisi quantitativa a lungo termine delle cellule viventi.

I metodi convenzionali di analisi dei campioni di sangue per la malattia spesso comportano l'etichettatura, il che significa che il campione viene trattato con un agente chimico per facilitare l'identificazione. In caso di malaria, i globuli rossi sono solitamente trattati con una colorazione di Giemsa che reagisce alle proteine ​​prodotte dai parassiti portatori di malaria e quindi li identifica. Ma l'introduzione di una sostanza chimica in una cellula viva può modificarne il comportamento o danneggiarla.

"Se stai facendo un'ispezione in vitro delle cellule staminali, ad esempio, e introduci un agente chimico, rischi di danneggiare quelle cellule. E non puoi farlo, perché potresti voler introdurre quelle cellule nel corpo umano ad un certo punto, " dice Javidi. "Il nostro strumento non si basa sull'etichettatura, e quindi evita questo problema."

Il microscopio olografico è stato sviluppato nei nuovi sistemi di rilevamento e imaging ottico multidimensionale di UConn o nel laboratorio MOSIS, dove Javidi serve come direttore. Il laboratorio MOSIS integra ottica, fotonica, e algoritmi e sistemi computazionali per far avanzare la scienza e l'ingegneria dell'imaging dalle nano alle macro scale.

Un rapporto completo sul lavoro del laboratorio MOSIS con l'imaging ottico 3D per la diagnostica medica è stato pubblicato l'anno scorso in Atti dell'IEEE , la rivista più importante per l'ingegneria elettrica ed elettronica.