Sıtma gibi bulaşıcı hastalıklar birçok bölgede önde gelen ölüm nedeni olmaya devam ediyor. Bunun nedeni kısmen, oradaki insanların bu hastalıkları (bir dizi bulaşıcı olmayan hastalıkla birlikte) erken bir aşamada, tedavi için daha fazla alan olduğunda tespit edebilecek tıbbi teşhis araçlarına erişiminin olmamasıdır.
Bu, dünya çapında ekonomik olarak dezavantajlı insanlar için sağlık hizmetlerini demokratikleştirmek amacıyla bilim adamlarının yükseldiği bir zorluktur.
Meslektaşlarım ve ben, bir akıllı telefon lensine sığacak kadar küçük biyolojik hücrelerin araştırılması için yeni bir yöntem geliştirdik.
Şimdiye kadar sadece laboratuvarda test etmiş olsak da, gelecekte bu nanoteknolojinin sadece bir mobil cihaz kullanarak gerçek dünyadaki tıbbi ortamlarda hastalık tespitini sağlayabileceğini umuyoruz. Çalışmamızın sonunda milyonlarca hayat kurtarmaya yardımcı olabileceğini umuyoruz.
Biyolojik bir hücre nasıl araştırılır
Biyolojik hücreleri optik mikroskoplar aracılığıyla inceleyebilmek, tıbbi teşhisin temel bir parçasıdır.
Bunun nedeni, mikroskop altında gözlemlenebilen hücrelerdeki spesifik değişikliklerin genellikle hastalıkların göstergesi olmasıdır. Örneğin sıtma durumunda, altın standart saptama yöntemi, bir hastanın kırmızı kan hücrelerindeki belirli değişiklikleri tanımlamak için mikroskop görüntülerini kullanmayı içerir.
Ancak biyolojik hücreler saklanmakta iyidir. İç özelliklerinin çoğu pratik olarak şeffaftır ve geleneksel mikroskoplar için neredeyse görünmezdir. Bu özellikleri görünür kılmak için hileler uygulamamız gerekiyor.
Bir yol, hücrelerin şeffaf özelliklerine kontrast ekleyen bir tür kimyasal boyama uygulamaktır.
Diğer yaklaşımlar, “faz görüntüleme” adı verilen bir süreç kullanır. Faz görüntüleme, hücreden geçen ışığın hücrenin şeffaf kısımları hakkında bilgi içermesi gerçeğinden yararlanır ve bu bilgiyi insan gözüyle görünür kılar.
Geleneksel faz görüntüleme yöntemleri, prizmalar ve girişim kurulumları gibi binlerce dolara mal olan bir dizi hacimli bileşene dayanır. Ayrıca, uzak bölgelerde ve ekonomik olarak dezavantajlı ülkelerde pahalı ve hacimli ekipman kolayca sağlanamaz.
Nanoteknolojiye girin
Şu anda geleneksel büyük optik bileşenlerin yerini almak için nanoteknolojiden yararlanmaya yönelik büyük bir bilimsel çaba var.
Bu, düşük maliyetli seri üretim potansiyeli olan nanometre kalınlığında cihazlar yaratılarak yapılıyor. Bu cihazlar gelecekte akıllı telefon kameraları gibi mobil cihazlara entegre edilebilir.
Faz görüntülemenin özel durumunda, bilim adamları daha önce yalnızca şu sistemler geliştirebildiler: süreci daha karmaşık hale getiren ve gerçek zamanlı görüntülemeye izin vermeyen, zaman alıcı hesaplamalı son işlemeye dayanan, hala mekanik olarak hareket eden sistemleri kullanan sistemler veya dönen parçalar. Bu parçaların yer gereksinimleri nedeniyle, tamamen düz optik bileşenler ve ultra kompakt entegrasyon ile uyumlu değildirler.
Bu sınırlamalar olmadan anlık faz görüntüleme yapabilen bir cihaz geliştirdik. Çözümümüz sadece birkaç yüz nanometre kalınlığındadır ve lensin üzerinde düz bir film şeklinde kamera lenslerine entegre edilebilir.
nasıl yaptık
Çok ince bir filme (200 nanometreden daha az kalınlıkta) bir nanoyapı yazdık ve bu bazen “optik spin-yörünge bağlantısı” olarak adlandırılan bir efekt kullanarak faz görüntülemeyi mümkün kılıyor.
Çalışma prensibi basittir. Biyolojik hücre gibi şeffaf bir nesne cihazın üzerine yerleştirilir. Işık hücrenin içinden geçer ve hücrenin daha önce görünmeyen yapısı diğer tarafta görünür hale gelir.
ACS Photonics’teki son yayınımızda, bu yöntemin yapay olarak oluşturulmuş şeffaf nesnelerle laboratuvar ortamında kullanımını nasıl başarılı bir şekilde gösterdiğimizi detaylandırıyoruz. Nesneler sadece birkaç mikrometre boyutundaydı ve bu nedenle biyolojik hücrelerle karşılaştırılabilirdi.
Bu yöntem, faz görüntülemeyi mümkün kıldığı, ancak hücreler gibi küçük nesnelerin büyütülmesiyle ilgilenmediği için, halen büyütme sağlamak için hacimli lensler gerektirir. Bununla birlikte, gelecekte, nanoteknolojideki diğer gelişmelerden ortaya çıkan düz lenslerle cihazımızın entegre edilebileceğinden eminiz.
Bizi nereye götürebilir?
Mevcut cihaz prototipiyle ilgili bir zorluk, yaklaşık 1.000 A$’lık üretim maliyetidir. Bilgisayar çiplerinin üretimi için de kullanılan birkaç maliyetli nanofabrikasyon yöntemi kullandık.
Bununla birlikte, çip üretimiyle ilişkili ölçek ekonomilerinden yararlanarak, önümüzdeki birkaç yıl içinde bu cihazın hızlı ve düşük maliyetli üretimini gerçekleştirebileceğimize inanıyoruz.
Şimdiye kadar bu işi sadece laboratuvarda yaptık. Teknolojinin tıbbi mobil cihazlarda kullanılabilir hale geldiğini görmek, bu tür araçların geliştirilmesinde uzmanlaşmış mühendisler ve tıp bilimcileri ile işbirliğini gerektirecektir.
Teknoloji için uzun vadeli vizyonumuz, mobil cihazların biyolojik örnekleri henüz mümkün olmayan bir şekilde araştırmasına izin vermektir.
Uzaktan tıbbi teşhise izin vermenin yanı sıra, bir hastanın kendi örneğini tükürük veya bir iğne ucu kan yoluyla alabileceği ve görüntüyü dünyanın herhangi bir yerindeki bir laboratuvara gönderebileceği evde hastalık tespiti de sağlayabilir.
