Un microscopio de campo holográfico portátil desarrollado por ingenieros ópticos de UConn podría proporcionar a los profesionales médicos una nueva herramienta rápida y confiable para la identificación de células enfermas y otras muestras biológicas.

El dispositivo, presentado en un artículo reciente publicado por Óptica aplicada , utiliza lo último en tecnología de sensores de cámaras digitales, ingeniería óptica avanzada, algoritmos computacionales, y análisis estadístico para proporcionar una rápida identificación automatizada de células enfermas.

Una posible aplicación de campo para el microscopio es ayudar a los trabajadores médicos a identificar pacientes con malaria en áreas remotas de África y Asia donde la enfermedad es endémica.

La detección rápida y precisa de la malaria es fundamental cuando se trata de tratar a los pacientes y prevenir los brotes de la enfermedad transmitida por mosquitos. que infectó a más de 200 millones de personas en todo el mundo en 2015, según los Centros para el Control de Enfermedades. El análisis de laboratorio de una muestra de sangre sigue siendo el estándar de oro para confirmar un diagnóstico de malaria. Sin embargo, el acceso a técnicos capacitados y al equipo necesario puede ser difícil y poco confiable en esas regiones.

Las aplicaciones potenciales del microscopio van mucho más allá del diagnóstico de campo de la malaria. Los hologramas detallados generados por el instrumento también se pueden utilizar en hospitales y otros entornos clínicos para un análisis rápido de la morfología celular y la fisiología celular asociada con el cáncer. hepatitis, VIH, enfermedad de célula falciforme, enfermedad del corazón, y otras enfermedades, dicen los desarrolladores.

Al verificar la presencia de enfermedad, la mayoría de los hospitales dependen actualmente de laboratorios dedicados que realizan diversas pruebas para el análisis y la identificación de células. Pero ese enfoque requiere mucho tiempo, costoso, y trabajo intensivo. También debe ser realizado por técnicos capacitados que trabajen con el equipo adecuado.

"Nuestro instrumento óptico reduce el tiempo que lleva procesar esta información de días a minutos, "dice Bahram Javidi, Board of Trustees Profesor Distinguido en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática y desarrollador senior del microscopio. "Y las personas que realizan las pruebas no tienen que ser expertos, porque los algoritmos determinarán si un resultado es positivo o negativo ".

El equipo de investigación consultó con hematólogos, y los algoritmos utilizados con el instrumento pueden comparar una muestra con las características conocidas de las células sanas y las características conocidas de las células enfermas para realizar una identificación adecuada. "Todo se hace muy rápido, "Dice Javidi.

Cómo funciona el dispositivo

Cuando se trata de identificar a los pacientes con malaria, Así es como funciona el dispositivo:se coloca un frotis delgado de la muestra de sangre de un paciente en un lado de vidrio, que se pone bajo el microscopio para su análisis. La muestra se expone a un haz de luz monocromático generado por un diodo láser u otra fuente de luz. Los componentes especiales y las tecnologías ópticas dentro del microscopio dividen el haz de luz en dos haces para registrar un holograma digital de los glóbulos rojos en la muestra. Un sensor de imagen como una cámara web digital o la cámara de un teléfono celular, conectado al microscopio 3-D captura el holograma. Desde allí, Los datos capturados se pueden transferir a una computadora portátil o una base de datos de laboratorio externa a través de Internet. Cargado con algoritmos dedicados, el hardware de la computadora o del dispositivo móvil reconstruye un perfil tridimensional de la celda y mide la interacción de la luz con la celda bajo inspección. Todas las células enfermas se identifican utilizando software de reconocimiento de patrones de computadora y análisis estadístico.

Los glóbulos rojos infectados con el parásito Plasmodium causante de la malaria exhiben propiedades diferentes a las de los glóbulos sanos cuando la luz pasa a través de ellos. Dice Javidi.

"La luz se comporta de manera diferente cuando atraviesa una célula sana en comparación con cuando atraviesa una célula enferma, "Dice Javidi." Los sensores avanzados de hoy pueden detectar esas sutiles diferencias, y son esas variaciones a nanoescala las que podemos medir con este microscopio ".

Los microscopios ópticos convencionales solo registran la intensidad de la imagen proyectada de un objeto, y tienen capacidad limitada para visualizar las caracterizaciones cuantitativas detalladas de las células. Los hologramas digitales adquiridos por el microscopio 3D de UConn, por otra parte, Capture características estructurales únicas a micro y nanoescala de células individuales con gran detalle y claridad. Esas imágenes mejoradas permiten a los profesionales médicos e investigadores medir el grosor de una célula individual, volumen, superficie, y masa seca, así como otros cambios estructurales y fisiológicos en una célula o grupos de células a lo largo del tiempo, todos los cuales pueden ayudar en la identificación de enfermedades. tratamiento, y la investigación. Por ejemplo, el dispositivo podría ayudar a los investigadores a ver si los nuevos medicamentos impactan en las células de manera positiva o negativa durante los ensayos clínicos.

Las técnicas asociadas con el microscopio holográfico también son no invasivas, destacando su uso potencial para el análisis cuantitativo a largo plazo de células vivas.

Los métodos convencionales de análisis de muestras de sangre para detectar enfermedades con frecuencia implican el etiquetado, lo que significa que la muestra se trata con un agente químico para ayudar con la identificación. En el caso de la malaria, Los glóbulos rojos generalmente se tratan con una tinción de Giemsa que reacciona con las proteínas producidas por los parásitos portadores de la malaria y, por lo tanto, los identifica. Pero la introducción de una sustancia química en una célula viva puede cambiar su comportamiento o dañarla.

"Si realiza una inspección in vitro de células madre, por ejemplo, e introduces un agente químico, corre el riesgo de dañar esas células. Y no puedes hacer eso porque es posible que desee introducir esas células en el cuerpo humano en algún momento, "Dice Javidi." Nuestro instrumento no se basa en el etiquetado, y por lo tanto evita ese problema ".

El microscopio holográfico se desarrolló en el nuevo laboratorio MOSIS o en el laboratorio MOSIS de detección e imágenes ópticas multidimensionales de UConn. donde Javidi se desempeña como director. El laboratorio MOSIS integra óptica, fotónica, y algoritmos y sistemas computacionales para hacer avanzar la ciencia y la ingeniería de imágenes de nano a macro escalas.

El año pasado se publicó un informe completo sobre el trabajo del laboratorio MOSIS con imágenes ópticas 3-D para diagnósticos médicos en Trámites del IEEE , la revista mejor clasificada de ingeniería eléctrica y electrónica.