Um microscópio de campo holográfico portátil desenvolvido por engenheiros ópticos da UConn poderia fornecer aos profissionais médicos uma nova ferramenta rápida e confiável para a identificação de células doentes e outras amostras biológicas.

O dispositivo, apresentado em um artigo recente publicado por Óptica Aplicada , usa a mais recente tecnologia de sensor de câmera digital, engenharia óptica avançada, algoritmos computacionais, e análise estatística para fornecer identificação automatizada rápida de células doentes.

Uma aplicação de campo potencial para o microscópio é ajudar os trabalhadores médicos a identificar pacientes com malária em áreas remotas da África e da Ásia, onde a doença é endêmica.

A detecção rápida e precisa da malária é crítica quando se trata de tratar pacientes e prevenir surtos de doenças transmitidas por mosquitos, que infectou mais de 200 milhões de pessoas em todo o mundo em 2015, de acordo com os Centros de Controle de Doenças. A análise laboratorial de uma amostra de sangue continua sendo o padrão ouro para confirmar o diagnóstico de malária. No entanto, o acesso a técnicos treinados e equipamentos necessários pode ser difícil e não confiável nessas regiões.

As aplicações potenciais do microscópio vão muito além do diagnóstico de campo da malária. Os hologramas detalhados gerados pelo instrumento também podem ser usados ​​em hospitais e outros ambientes clínicos para uma análise rápida da morfologia celular e fisiologia celular associada ao câncer, hepatite, HIV, doença falciforme, doença cardíaca, e outras doenças, dizem os desenvolvedores.

Ao verificar a presença de doenças, a maioria dos hospitais atualmente conta com laboratórios dedicados que realizam vários testes para análise e identificação de células. Mas essa abordagem é demorada, caro, e trabalho intensivo. Também deve ser feito por técnicos qualificados, trabalhando com o equipamento certo.

"Nosso instrumento óptico reduz o tempo que leva para processar essas informações de dias para minutos, "diz Bahram Javidi, Board of Trustees Professor ilustre do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação e desenvolvedor sênior do microscópio. "E as pessoas que executam os testes não precisam ser especialistas, porque os algoritmos irão determinar se um resultado é positivo ou negativo. "

A equipe de pesquisa consultou hematologistas, e os algoritmos usados ​​com o instrumento são capazes de comparar uma amostra com as características conhecidas de células saudáveis ​​e as características conhecidas de células doentes para fazer a identificação adequada. "É tudo feito muito rapidamente, "Javidi diz.

Como o dispositivo funciona

Quando se trata de identificar pacientes com malária, é assim que o dispositivo funciona:um esfregaço fino da amostra de sangue de um paciente é colocado em um vidro, que é colocado sob o microscópio para análise. A amostra é exposta a um feixe de luz monocromático gerado por um diodo laser ou outra fonte de luz. Componentes especiais e tecnologias ópticas dentro do microscópio dividem o feixe de luz em dois feixes para registrar um holograma digital das células vermelhas do sangue na amostra. Um sensor de imagem, como uma webcam digital ou câmera de telefone celular, conectado ao microscópio 3-D captura o holograma. De lá, os dados capturados podem ser transferidos para um computador laptop ou banco de dados de laboratório externo pela internet. Carregado com algoritmos dedicados, o computador ou hardware do dispositivo móvel reconstrói um perfil 3-D da célula e mede a interação da luz com a célula sob inspeção. Quaisquer células doentes são identificadas usando software de reconhecimento de padrões de computador e análise estatística.

Os glóbulos vermelhos infectados com o parasita Plasmodium, causador da malária, exibem propriedades diferentes das células sangüíneas saudáveis ​​quando a luz passa por eles, Javidi diz.

"A luz se comporta de maneira diferente quando passa por uma célula saudável em comparação com quando passa por uma célula doente, "Javidi diz." Os sensores avançados de hoje podem detectar essas diferenças sutis, e são essas variações em nanoescala que podemos medir com este microscópio. "

Os microscópios de luz convencionais registram apenas a intensidade da imagem projetada de um objeto, e têm capacidade limitada para visualizar as caracterizações quantitativas detalhadas das células. Os hologramas digitais adquiridos pelo microscópio 3-D da UConn, por outro lado, capturar características estruturais únicas em micro e nanoescala de células individuais com grande detalhe e clareza. Essas imagens aprimoradas permitem que profissionais médicos e pesquisadores meçam a espessura de uma célula individual, volume, superfície, e massa seca, bem como outras mudanças estruturais e fisiológicas em uma célula ou grupos de células ao longo do tempo - todas as quais podem ajudar na identificação de doenças, tratamento, e pesquisa. Por exemplo, o dispositivo pode ajudar os pesquisadores a ver se os novos medicamentos afetam as células de forma positiva ou negativa durante os testes clínicos.

As técnicas associadas ao microscópio holográfico também são não invasivas, destacando seu uso potencial para análise quantitativa de longo prazo de células vivas.

Os métodos convencionais de teste de amostras de sangue para doenças frequentemente envolvem rotulagem, o que significa que a amostra é tratada com um agente químico para auxiliar na identificação. No caso da malária, Os glóbulos vermelhos são geralmente tratados com uma coloração de Giemsa que reage a proteínas produzidas por parasitas portadores da malária e, portanto, os identifica. Mas a introdução de uma substância química em uma célula viva pode mudar seu comportamento ou danificá-la.

"Se você estiver fazendo uma inspeção in vitro de células-tronco, por exemplo, e você introduz um agente químico, você corre o risco de danificar essas células. E você não pode fazer isso, porque você pode querer introduzir essas células no corpo humano em algum momento, "Javidi diz." Nosso instrumento não depende de rotulagem, e, portanto, evita esse problema. "

O microscópio holográfico foi desenvolvido no novo Multidimensional Optical Sensing &Imaging Systems da UConn ou no laboratório MOSIS, onde Javidi atua como diretor. O laboratório MOSIS integra óptica, fotônica, e algoritmos e sistemas computacionais para o avanço da ciência e da engenharia de imagens de escalas nano a macro.

Um relatório abrangente sobre o trabalho do laboratório MOSIS com imagens ópticas 3-D para diagnósticos médicos foi publicado no ano passado em Procedimentos do IEEE , o jornal mais bem classificado em engenharia elétrica e eletrônica.