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系统创建没有传统镜头的组织样本的3-D图像

加州大学洛杉矶分校研究人员开发的新系统可以使诊断慢性疾病变得更容易,成本更低,特别是在没有昂贵实验室设备的偏远地区。


该技术使用非常简单的光学硬件和无镜头显微镜,以及有助于重建组织样本图像的复杂算法。它可以为发展中国家和偏远地区的人们提供和负担得起的急需的诊断测试,缺乏当前用于进行组织活检的昂贵的实验室设备。

在美国科学促进会杂志“科学进步”(Science Advances)发表的文章中描述了用于制造生物样品透明的系统,也称为“组织清除”,然后使用无镜片显微镜对其进行成像。由加州大学洛杉矶分校校长电气与计算机工程与生物工程教授,加利福尼亚纳米系统研究所副所长Aydogan Ozcan领导的团队开发。和加州大学洛杉矶分校大卫·杰芬医学院医学和皮肤病学助理教授Rajan Kulkarni和CNSI的成员。

组织活检广泛被认为是检测癌症和炎性疾病等疾病的黄金标准。但测试相对昂贵且复杂,需要使用复杂的设备 - 资源有限的地区就是一个严峻挑战。

在标准活组织检查中,将组织切成薄片,约为人头发厚度的十分之一,并用染料染色,使得医学专家可以使用显微镜检测异常和患病细胞。该方法的一个挑战 - 超出时间和成本 - 是一次只能分析少量组织样本。

“虽然技术进步已经允许医生远程访问医疗数据进行诊断,但仍然迫切需要一种可靠,廉价的疾病成像和鉴别手段,特别是在低资源环境下,用于病理学,生物医学研究和相关应用, “奥兹坎说。

研究人员使用Clarity技术制备了组织样本,该技术使组织透明或“清除”,使用去除脂肪并留下蛋白质和DNA的化学过程。该方法通常需要荧光染料,这可能是昂贵的,以染色组织样品,但是这些染料的一个缺点是染色趋于随着时间而降解,使得科学家难以从中收集信息。

相反,加州大学洛杉矶分校研究人员使用着色的光吸收染料,根据Kulkarni,它可以与常规显微镜工具一起使用,随着时间的推移不会有任何明显的信号损失。

而不是使用通常用于活检测试的机器(传统显微镜可能花费超过50,000美元),加州大学洛杉矶分校的科学家开发了一种新的器件,其组件由共同的成本只有几百美元:全息无镜头的显微镜,能够产生三维图像,其中十分之一的传统扫描光学显微镜需要做同样的事情的图像数据。

UCLA方法还允许科学家使用0.2毫米厚的组织样本,比典型样品厚20多倍,这是新系统的关键好处,因为在没有精密设备的情况下,生产较薄的组织切片是困难的。这也使科学家能够研究更大的样本量,这可以帮助他们比其他方式更早地检测异常。

以下是测试的工作原理:首先,将清除的纸张放置在硅片上的小容器中,该芯片包含数百万个光电探测器 - 手机相机中的相同类型的芯片。当光照在组织样本上时,来自组织样本的低分辨率阴影落在芯片上。由样品散射的光的干涉产生的阴影形成组织样本的全息图。

接下来,研究人员通过相对于图像传感器移动样本并捕获相同的全息影子来增强分辨率并实现3-D成像,从而允许它们数字地查看组织样本的不同横截面或数字切片。

“通过计算和算法,我们将一个标准的1000万像素成像仪,如手机中常用的成像仪,转换成几百万像素的显微镜,可以通过不同厚度的薄片样本进行数字图像显示。”Yibo Zhang研究的第一作者和奥兹坎实验室的研究生。

研究团队的其他成员包括:所有Ozcan研究组的 Sam Yang,Hongda Wang,Da Teng和Yair Rivenson ; 和Kulkarni实验室的Yoonjung Shun,Kevin Sung和Harrison Chen。

奥兹坎的工作由科学家和工程师总统早期职业奖,陆军研究办公室,国家科学基金会,海军研究办公室,国家卫生研究院,霍华德休斯医学研究所,沃达丰美洲基金会和玛丽凯基金会 Kulkarni的工作得到加州大学洛杉矶分校临床和转化科学研究所的支持。 

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