Un microscope de terrain holographique portable développé par les ingénieurs optiques d'UConn pourrait fournir aux professionnels de la santé un nouvel outil rapide et fiable pour l'identification des cellules malades et d'autres échantillons biologiques.

Le dispositif, présenté dans un article récent publié par Optique appliquée , utilise la dernière technologie de capteur d'appareil photo numérique, ingénierie optique avancée, algorithmes de calcul, et l'analyse statistique pour fournir une identification automatisée rapide des cellules malades.

Une application potentielle sur le terrain du microscope aide les travailleurs médicaux à identifier les patients atteints de paludisme dans les régions reculées d'Afrique et d'Asie où la maladie est endémique.

La détection rapide et précise du paludisme est essentielle lorsqu'il s'agit de traiter les patients et de prévenir les épidémies de la maladie transmise par les moustiques, qui a infecté plus de 200 millions de personnes dans le monde en 2015, selon les Centers for Disease Control. L'analyse en laboratoire d'un échantillon de sang reste l'étalon-or pour confirmer un diagnostic de paludisme. Pourtant, l'accès à des techniciens qualifiés et à l'équipement nécessaire peut être difficile et peu fiable dans ces régions.

Les applications potentielles du microscope vont bien au-delà du diagnostic de terrain du paludisme. Les hologrammes détaillés générés par l'instrument peuvent également être utilisés dans les hôpitaux et autres milieux cliniques pour une analyse rapide de la morphologie cellulaire et de la physiologie cellulaire associées au cancer, hépatite, VIH, drépanocytose, cardiopathie, et autres maladies, disent les développeurs.

En vérifiant la présence d'une maladie, la plupart des hôpitaux s'appuient actuellement sur des laboratoires dédiés qui effectuent divers tests pour l'analyse et l'identification des cellules. Mais cette approche prend du temps, cher, et à forte intensité de main-d'œuvre. Cela doit également être fait par des techniciens qualifiés travaillant avec le bon équipement.

"Notre instrument optique réduit le temps de traitement de ces informations de quelques jours à quelques minutes, " dit Bahram Javidi, Conseil d'administration Professeur émérite au Département de génie électrique et informatique et développeur principal du microscope. "Et les gens qui font les tests n'ont pas besoin d'être des experts, car les algorithmes détermineront si un résultat est positif ou négatif."

L'équipe de recherche a consulté des hématologues, et les algorithmes utilisés avec l'instrument sont capables de comparer un échantillon aux caractéristiques connues des cellules saines et aux caractéristiques connues des cellules malades afin de procéder à une identification correcte. « Tout se fait très vite, " dit Javidi.

Comment fonctionne l'appareil

Lorsqu'il s'agit d'identifier les patients atteints de paludisme, voici comment fonctionne l'appareil :un mince frottis provenant d'un échantillon de sang d'un patient est placé sur un côté en verre, qui est passé au microscope pour analyse. L'échantillon est exposé à un faisceau lumineux monochromatique généré par une diode laser ou une autre source lumineuse. Des composants spéciaux et des technologies optiques à l'intérieur du microscope divisent le faisceau lumineux en deux faisceaux afin d'enregistrer un hologramme numérique des globules rouges dans l'échantillon. Un capteur d'images, comme une webcam numérique ou un appareil photo pour téléphone portable, connecté au microscope 3-D capture l'hologramme. De là, les données capturées peuvent être transférées vers un ordinateur portable ou une base de données de laboratoire hors site via Internet. Chargé d'algorithmes dédiés, l'ordinateur ou le matériel de l'appareil mobile reconstruit un profil 3-D de la cellule et mesure l'interaction de la lumière avec la cellule inspectée. Toutes les cellules malades sont identifiées à l'aide d'un logiciel informatique de reconnaissance de formes et d'une analyse statistique.

Les globules rouges infectés par le parasite Plasmodium responsable du paludisme présentent des propriétés différentes de celles des globules sains lorsque la lumière les traverse, dit Javidi.

"La lumière se comporte différemment lorsqu'elle traverse une cellule saine que lorsqu'elle traverse une cellule malade, " dit Javidi. " Les capteurs avancés d'aujourd'hui peuvent détecter ces différences subtiles, et ce sont ces variations à l'échelle nanométrique que nous sommes capables de mesurer avec ce microscope."

Les microscopes optiques conventionnels n'enregistrent que l'intensité de l'image projetée d'un objet, et ont une capacité limitée pour visualiser les caractérisations quantitatives détaillées des cellules. Les hologrammes numériques acquis par le microscope 3-D d'UConn, d'autre part, capturez des caractéristiques structurelles uniques à l'échelle micro et nanométrique de cellules individuelles avec beaucoup de détails et de clarté. Ces images améliorées permettent aux professionnels de la santé et aux chercheurs de mesurer l'épaisseur d'une cellule individuelle, le volume, surface, et masse sèche, ainsi que d'autres changements structurels et physiologiques dans une cellule ou des groupes de cellules au fil du temps - qui peuvent tous aider à l'identification de la maladie, traitement, et la recherche. Par exemple, l'appareil pourrait aider les chercheurs à voir si de nouveaux médicaments ont un impact positif ou négatif sur les cellules pendant les essais cliniques.

Les techniques associées au microscope holographique sont également non invasives, mettant en évidence son utilisation potentielle pour l'analyse quantitative à long terme des cellules vivantes.

Les méthodes conventionnelles de test des échantillons de sang pour la maladie impliquent fréquemment l'étiquetage, ce qui signifie que l'échantillon est traité avec un agent chimique pour faciliter l'identification. Dans le cas du paludisme, les globules rouges sont généralement traités avec un colorant Giemsa qui réagit aux protéines produites par les parasites porteurs du paludisme et les identifie ainsi. Mais l'introduction d'un produit chimique dans une cellule vivante peut modifier son comportement ou l'endommager.

"Si vous faites une inspection in vitro de cellules souches, par exemple, et vous introduisez un agent chimique, vous risquez d'endommager ces cellules. Et tu ne peux pas faire ça, parce que vous voudrez peut-être introduire ces cellules dans le corps humain à un moment donné, " dit Javidi. "Notre instrument ne repose pas sur l'étiquetage, et évite donc ce problème."

Le microscope holographique a été développé dans le nouveau laboratoire de détection et d'imagerie optique multidimensionnelle d'UConn ou le laboratoire MOSIS, où Javidi est directeur. Le laboratoire MOSIS intègre l'optique, photonique, et des algorithmes et des systèmes informatiques pour faire progresser la science et l'ingénierie de l'imagerie de l'échelle nano à l'échelle macro.

Un rapport complet sur les travaux du laboratoire MOSIS avec l'imagerie optique 3D pour le diagnostic médical a été publié l'année dernière dans Actes de l'IEEE , le journal le mieux classé pour l'ingénierie électrique et électronique.