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. Ein Team von Wissenschaftlern hat eine neue Methode zur Untersuchung biologischer Zellen entwickelt, die klein genug ist, um in eine Smartphone-Linse zu passen. Während sie es bisher nur im Labor getestet haben, hoffen sie, dass diese Nanotechnologie in Zukunft die Erkennung von Krankheiten in realen medizinischen Umgebungen mit nur einem mobilen Gerät ermöglichen könnte. Die Wissenschaftler hoffen, dass ihre Arbeit schließlich dazu beitragen kann, Millionen von Leben 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 sie 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 sperriger Komponenten wie Prismen und Interferenzaufbauten, 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: auf eine zeitaufwändige rechnerische Nachbearbeitung angewiesen sind, was den Prozess komplexer macht, und die keine Echtzeit-Bildgebung zulassen, noch mechanisch nutzen sich bewegende oder rotierende Teile. Aufgrund des Platzbedarfs dieser Teile sind sie mit vollständig flachen optischen Komponenten und ultrakompakter Integration nicht kompatibel. Sie haben ein Gerät entwickelt, das ohne diese Einschränkungen eine sofortige Phasenbildgebung durchführen kann. Ihre Lösung ist nur wenige hundert Nanometer dick und könnte in Form einer flachen Folie auf der Linsenoberseite in Kameraobjektive integriert werden.
Wie sie es gemacht haben
Sie 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 ihrer jüngsten Veröffentlichung in ACS Photonics haben sie detailliert beschrieben, wie sie 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. Sie sind jedoch zuversichtlich, dass ihr Gerät in Zukunft mit flachen Linsen integriert werden könnte, die aus anderen Fortschritten in der Nanotechnologie hervorgehen.
Wohin könnte es uns führen?
Eine Herausforderung bei dem derzeitigen Geräteprototyp sind die Herstellungskosten von etwa 1.000 AUD. Sie verwendeten mehrere kostspielige Nanofabrikationsmethoden, die auch für die Herstellung von Computerchips verwendet werden.
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 sie 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 sperriger Komponenten wie Prismen und Interferenzaufbauten, 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: auf eine zeitaufwändige rechnerische Nachbearbeitung angewiesen sind, was den Prozess komplexer macht, und die keine Echtzeit-Bildgebung zulassen, noch mechanisch nutzen sich bewegende oder rotierende Teile. Aufgrund des Platzbedarfs dieser Teile sind sie mit vollständig flachen optischen Komponenten und ultrakompakter Integration nicht kompatibel. Sie haben ein Gerät entwickelt, das ohne diese Einschränkungen eine sofortige Phasenbildgebung durchführen kann. Ihre Lösung ist nur wenige hundert Nanometer dick und könnte in Form einer flachen Folie auf der Linsenoberseite in Kameraobjektive integriert werden.
Wie sie es gemacht haben
Sie 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 ihrer jüngsten Veröffentlichung in ACS Photonics haben sie detailliert beschrieben, wie sie 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. Sie sind jedoch zuversichtlich, dass ihr Gerät in Zukunft mit flachen Linsen integriert werden könnte, die aus anderen Fortschritten in der Nanotechnologie hervorgehen.
Wohin könnte es uns führen?
Eine Herausforderung bei dem derzeitigen Geräteprototyp sind die Herstellungskosten von etwa 1.000 AUD. Sie verwendeten mehrere kostspielige Nanofabrikationsmethoden, die auch für die Herstellung von Computerchips verwendet werden.
Sie glauben jedoch, dass sie durch die Nutzung der mit der Chipproduktion verbundenen Skaleneffekte die schnelle und kostengünstige Produktion dieses Geräts in den nächsten Jahren erreichen könnten.
Bisher haben sie 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.
Ihre 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.