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几年前,加州大学伯克利分校的教授丹尼尔·弗莱彻向他的光学和显微镜课程的本科生提出了一个挑战,要求他们仅使用手机和几个物镜开发一种仪器。直到项目开始后,弗莱彻和学生们才意识到他们创造了一种强大而廉价的仪器,该仪器可能用于检测发展中国家常见的疾病,如疟疾、镰状细胞性贫血和肺结核。
这些疾病尤其在非洲肆虐。据世界卫生组织(WHO)称,在2003年,在有可用数据的10个非洲国家中,有11,875,108人患有疟疾。每年大约有30万婴儿在非洲出生时患有镰状细胞性贫血,而肺结核是艾滋病毒感染者的主要杀手,仅在2007年就感染了撒哈拉以南非洲的约190万人。
经济上的限制阻碍了这些疾病的诊断和治疗。据在西非多哥的Kpele Tsiko和印度安得拉邦的传教士医院担任志愿者的研究科学家迪娜·西加诺说,“获得像识别疟疾所需的光学显微镜这样的正常运转的设备是一项挑战。”实验室级版本需要花费数千美元,西加诺指出,一旦购买了设备,就没有钱来维护和维修它。
弗莱彻和他的同事认为,他们称之为CellScope的设备将为显微镜提供一种廉价的替代方案。该小组制作了一个可拆卸的适配器,该适配器安装在标准诺基亚N73手机上的摄像头镜头上。大卫·布雷斯劳尔是发表在《公共科学图书馆·综合》上的研究的首席作者,他在大学网站上的视频中演示了该适配器。它包括廉价的标准显微镜目镜和物镜,以及高功率LED,这些LED可以照亮物体。
为了确定CellScope的实用性,该小组获得了并分析了经确诊患有疟疾和镰状细胞性贫血的患者的样本。将含有每个样本的培养皿夹在适配器的末端,并通过镜头放大。手机的摄像头捕获了细胞的放大图像。感染疟疾的血细胞在添加吉姆萨染色液后变成蓝色,并且可以在手机屏幕上清楚地看到;不规则的月牙形镰状细胞也很容易发现。
结核病的检测比较棘手。目前,最好的方法是用一种染料对细胞进行染色,当病原体存在时,该染料会发出荧光,并使用荧光显微镜(一种光学显微镜的变体)来观察发光。然而,这种显微镜的成本高达数万美元。
在开发CellScope时,布雷劳尔的小组注意到蓝色发光二极管提供了足够的光来触发这种荧光。他说,这一发现“有点偶然。碰巧的是,我们正在研究这个问题,与此同时,LED技术开始变得负担得起。”研究人员在适配器中添加了蓝色LED,每个成本约为10美元,据布雷劳尔称,每个二极管可持续使用约50,000小时。该小组甚至有空间添加过滤器,这些过滤器用于荧光显微镜中,以阻挡来自图像的无关光。
研究人员使用该设备筛选了受结核病感染的细胞培养物,并通过使用金胺O染料检测到样品中细菌的棒状结构,该染料可以对结核病菌进行染色。该染料吸收蓝光,然后发出绿色荧光。
布雷劳尔和该小组对这项技术抱有很高的期望,特别是考虑到许多发展中国家无线设备的基础设施完善。当医生短缺时,可以在现场分析图像,或将图像传输到诊所进行快速诊断。西加诺同意这一评估:“我完全可以想象这项技术在第三世界国家会很有用,”她说。
如果该小组要将该技术转化为产品,布雷劳尔指出,它将需要克服一些障碍,其中最重要的是资金。“向发展中国家销售产品具有挑战性,并且本质上像非营利工作一样,”他说。“如果我们要让一家公司对推进这项技术感兴趣,我们需要找到有利可图的应用。”
布雷劳尔希望的一个有利可图的应用是使用手机来数字化索引一个人的医疗记录。需要进行常规血细胞计数的人可以从家中拍摄血液样本的显微图像,并通过电子邮件将其发送给医生或存储以供以后分析。该小组计划在秋季开始使用该设备进行现场试验。