Infektionskrankheiten wie Malaria bleiben in vielen Regionen eine der Haupttodesursachen. Dies liegt zum Teil daran, dass die Menschen dort keinen Zugang zu medizinischen Diagnoseinstrumenten haben, die diese Krankheiten (zusammen mit einer Reihe von nicht ansteckenden Krankheiten) in einem frühen Stadium erkennen können, wenn mehr Möglichkeiten für eine Behandlung bestehen.
Wissenschaftler haben sich dieser Herausforderung gestellt, mit dem Ziel, die Gesundheitsversorgung für wirtschaftlich benachteiligte Menschen auf der ganzen Welt zu demokratisieren.
Meine Kollegen und ich haben uns weiterentwickelt eine neue Methode für die Untersuchung biologischer Zellen, die klein genug ist, um in eine Smartphone-Linse zu passen.
Obwohl wir sie bisher nur im Labor getestet haben, hoffen wir, dass diese Nanotechnologie in Zukunft die Erkennung von Krankheiten in realen medizinischen Umgebungen mit nur einem mobilen Gerät ermöglichen könnte. Wir hoffen, dass unsere Arbeit dazu beitragen kann, Millionen von Menschenleben zu retten.
Wie man eine biologische Zelle untersucht
Die Untersuchung biologischer Zellen durch optische Mikroskope ist ein grundlegender Bestandteil der medizinischen Diagnostik.
Denn spezifische Veränderungen in Zellen, die man unter dem Mikroskop beobachten kann, weisen oft auf Krankheiten hin. Im Fall von Malaria zum Beispiel besteht die Goldstandard-Nachweismethode darin, mithilfe von Mikroskopbildern spezifische Veränderungen in den roten Blutkörperchen eines Patienten zu identifizieren.
Aber biologische Zellen können sich gut verstecken. Viele ihrer inneren Merkmale sind praktisch transparent und für herkömmliche Mikroskope fast unsichtbar. Um diese Merkmale sichtbar zu machen, müssen wir Tricks anwenden.
Eine Möglichkeit besteht darin, eine Art chemische Färbung einzuführen, die den transparenten Merkmalen der Zellen einen Kontrast verleiht.
Andere Ansätze verwenden einen Prozess, der als „Phasenbildgebung“ bezeichnet wird. Die Phasenbildgebung nutzt die Tatsache aus, dass Licht, das die Zelle passiert hat, Informationen über die transparenten Teile der Zelle enthält – und macht diese Informationen für das menschliche Auge sichtbar.
Herkömmliche Phasenbildgebungsverfahren beruhen auf einer Reihe von sperrigen Komponenten wie z Prismen und Interferenz-Setups, die Tausende von Dollar kosten. Außerdem können teure und sperrige Geräte in abgelegenen Regionen und wirtschaftlich benachteiligten Ländern nicht ohne weiteres verfügbar gemacht werden.
Geben Sie Nanotechnologie ein
Derzeit richten sich große wissenschaftliche Anstrengungen darauf, die Nanotechnologie wirksam einzusetzen, um herkömmliche große optische Komponenten zu ersetzen.
Dies geschieht durch die Schaffung nanometerdicker Geräte mit dem Potenzial für eine kostengünstige Massenproduktion. Diese Geräte könnten in Zukunft in mobile Geräte wie Smartphone-Kameras integriert werden.
Im speziellen Fall der Phasenbildgebung konnten Wissenschaftler bisher nur Systeme entwickeln, die:
Wir haben ein Gerät entwickelt, das ohne diese Einschränkungen eine sofortige Phasenbildgebung durchführen kann. Unsere Lösung ist nur wenige hundert Nanometer dick und könnte in Form einer flachen Folie auf der Oberseite des Objektivs in Kameraobjektive integriert werden.
Wie wir es gemacht haben
Wir haben eine Nanostruktur in einen sehr dünnen Film (weniger als 200 Nanometer dick) eingeschrieben, der eine Phasenabbildung mithilfe eines Effekts ermöglicht, der manchmal als „optische Spin-Bahn-Kopplung“ bezeichnet wird.
Das Funktionsprinzip ist einfach. Auf das Gerät wird ein durchsichtiges Objekt, wie z. B. eine biologische Zelle, gelegt. Licht wird durch die Zelle gestrahlt und die zuvor unsichtbare Struktur der Zelle wird auf der anderen Seite sichtbar.
In unserer neuere Veröffentlichung in ACS Photonikbeschreiben wir ausführlich, wie wir die Anwendung dieser Methode in einer Laborumgebung mit künstlich erzeugten transparenten Objekten erfolgreich demonstriert haben. Die Objekte waren nur wenige Mikrometer groß und damit vergleichbar mit biologischen Zellen.
Da dieses Verfahren eine Phasenbildgebung ermöglicht, sich jedoch nicht mit der Vergrößerung kleiner Objekte wie Zellen befasst, erfordert es derzeit noch sperrige Linsen, um eine Vergrößerung bereitzustellen. Wir sind jedoch zuversichtlich, dass unser Gerät in Zukunft mit flachen Linsen integriert werden könnte, die sich aus anderen Fortschritten in der Nanotechnologie ergeben.
Wohin könnte es uns führen?
Eine Herausforderung bei dem derzeitigen Geräteprototyp sind die Herstellungskosten von etwa 1.000 AUD. Wir verwendeten mehrere kostspielige Nanofabrikationsmethoden, die auch für die Herstellung von Computerchips verwendet werden.
Wir glauben jedoch, dass wir durch die Nutzung der mit der Chipproduktion verbundenen Skaleneffekte die schnelle und kostengünstige Produktion dieses Geräts in den nächsten Jahren erreichen können.
Bisher haben wir diese Arbeit nur im Labor gemacht. Um zu sehen, wie die Technologie in medizinischen Mobilgeräten verfügbar wird, ist die Zusammenarbeit mit Ingenieuren und Medizinern erforderlich, die auf die Entwicklung solcher Tools spezialisiert sind.
Unsere langfristige Vision für die Technologie ist es, mobilen Geräten zu ermöglichen, biologische Proben auf eine Weise zu untersuchen, die bisher nicht möglich war.
Abgesehen von der Möglichkeit der medizinischen Ferndiagnose könnte es auch die Erkennung von Krankheiten zu Hause ermöglichen, bei der ein Patient seine eigene Probe durch Speichel oder einen Nadelstich Blut gewinnen und das Bild an ein Labor überall auf der Welt senden könnte.
Lukas Wesemann et al, Real-Time Phase Imaging with an Asymmetric Transfer Function Metasurface, ACS Photonik (2022). DOI: 10.1021/acsphotonics.2c00346
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