Меню
Все темы
Зачем ученому смартфон
Митио Каку, физик-теоретик и популяризатор науки, писал в книге «Физика будущего», что современный смартфон превосходит по вычислительной мощности все компьютеры NASA на момент запуска человека на Луну. Сегодня для многих из нас он превратился в средство досуга — игры, соцсети, прослушивание музыки, — однако и применение в лаборатории мобильные телефоны тоже находят. На ум легко приходит таймер, с помощью которого удобно засечь время реакции или инкубации клеток, но спектр применений может оказаться куда шире. Итак, чем еще смартфон пригодится исследователю?
Микроскоп с интраокулярной линзой
Важную роль в офтальмологической диагностике играют микроскопы — они позволяют детектировать микроорганизмы и выявлять различные патологии. Современные подходы к исследованию основаны преимущественно на лабораторных методах, которые требуют времени и затрат. Индийские ученые предложили простой метод подготовки интраокулярных линз, или искусственных хрусталиков, которые можно использовать в сочетании со смартфоном для обнаружения микроорганизмов и поражений глаза.
Исследователи прикрепили к смартфону оптическую систему, состоящую из непригодных к использованию (например, просроченных) интраокулярных линз (IOL). Для ее создания они использовали четыре IOL — их закрепили на полоске плотной черной бумаги, после чего оптическую систему выравнивали на камере смартфона с помощью целлофановой ленты.
Credit:Конструкция получила название IOLSCOPE (IOL-микроскоп на основе смартфона). Авторы работы показали, что с ее помощью можно проводить микроскопию различных препаратов — в статье они приводят снимки гиф грибов, личинок паразитов и гистологических срезов.
Credit:
IOLSCOPE, отмечают исследователи, дешев и прост в изготовлении, а использоваться он может в различных сферах — дерматология, микробиология и т.д. — для предварительного скрининга заболеваний. Этот инструмент удобен для первичной point-of-care диагностики. Вместе с тем они подчеркивают, что световая микроскопия и культуральная диагностика остаются золотым стандартом подтверждающей процедуры.
Портативный детектор патогенов, передающий данные на смартфон
Ирландская компания Altratech разработала портативный прибор для детекции патогенов, который подключается к смартфону через Wi-Fi. С его помощью можно проводить количественный анализ, а также выявлять мутации. Образец в такой системе вносится в специальный картридж, после чего молекулы-мишени прикрепляются к магнитным бусинам, вместе с которыми движутся по микрофлюидной системе к датчикам. Датчики основаны на комплементарных металлооксидных полупроводниках — разработчики сообщают, что это простой, но чувствительный метод измерения.
Считывающее устройство размером с кулак работает от батареек. Заявленная скорость исследования — 15 минут, а стоимость одного теста — 10 евро. В ходе внутренних испытаний с РНК SARS-CoV-2 система показала 100%-ную корреляцию с результатами RT-PCR в диапазоне 1000–500 000 копий РНК.
Герман Шипулин, директор по научно-производственной деятельности ЦСП ФМБА России, руководитель Центра постгеномных технологий ЦСП ФМБА, упоминал эту разработку на конференции «Молекулярная диагностика 2023». Он отметил, что существует аналогичная российская разработка, которая также представляет собой лабораторию внутри одноразового картриджа, способную проводить изотермическую амплификацию и ПЦР и обеспечивать детекцию 12 мишеней.
Портативный детектор флуоресценции
Микро- и наномоторы уже продемонстрировали потенциал для определения биомаркеров. Они позволяют использовать сверхмалые объемы образцов — это достигается за счет того, что движение сенсоров при помощи микромотора усиливает их взаимодействие с анализируемым веществом. Подходы с применением микромоторов могут быть основаны в том числе на флуоресценции. Так, с помощью микромотора на основе янус-частиц с неорганическим комплексом, содержащим сульфид цинка, можно детектировать ионы ртути в растворе. Флуоресценция в такой системе гасится ртутью, а подвижность микромотора в растворе повышает чувствительность метода.
Вместе с тем подходы, основанные на использовании самодвижущихся микромоторов для обнаружения флуоресценции, требуют сложных и дорогих приборов. Однако оптическая детекция флуоресценции удобно сочетается со смартфонами, поскольку их встроенные камеры обладают достаточными оптическими характеристиками и не требуют дополнительных модификаций. Коллектив из Испании создал устройство на базе смартфона для проведения флуоресцентных анализов в режиме реального времени.
Смартфон в представленной конструкции соединен с оптической линзой высокого разрешения, специально изготовленными фильтрами излучения и отсеком для вставки недорогих коммерческих лазеров — с помощью этих компонентов производится настройка длины волны возбуждения. Платформа обеспечивает возможность быстрой фокусировки и позволяет получать изображения высокого разрешения для дальнейшей обработки.
Пригодность конструкции авторы продемонстрировали на детекции микромоторов. Движение микромотора или флуоресценция раствора непосредственно наблюдались в приложении камеры телефона, которое также использовалось для записи видео.
Детекция бактерий в образцах
О трудоемкости рутинных методов задумалась и другая группа ученых. Для борьбы с бактериальными инфекциями решающее значение имеет быстрое обнаружение патогена, однако существующие методы зачастую требуют много времени или зависят от лабораторного оборудования. Китайские исследователи предложили детектировать бактерии при помощи смартфона, причем их метод использует явление поверхностного плазмонного резонанса золотых наночастиц (AuNP). Детекция в нем достигается за счет того, что изменение расстояния между частицами AuNP под действием бактериального лизата влияет на окраску раствора.
Золотые наночастицы образуют коллоидный раствор винно-красного цвета, который поглощает при длине волны 519 нм. В присутствии бактериального лизата этот коллоид сохраняет свою окраску, тогда как при реакции с контролем (сверхчистой водой) его цвет меняется на серый.
Credit:Исследователи протестировали методику на лизатах E. coli, а затем подтвердили ее применимость на других видах бактерий, включая S. aureus, P. aeruginosa и B. subtilis. Для получения изображений они изготовили небольшой ящик из полупрозрачного стекла (лайтбокс) размером 11×11×13 см с прорезью сверху, на который помещали смартфон. Анализ снимков показал, что интенсивность окраски и значения RGB снижались вместе с концентрацией бактерий в растворе.
На основе данных RGB, вычисленных по полученным фотографиям, ученые рассчитали значение серого цвета в соответствии с уравнением: значение серого = R × 0,299 + G × 0,587 + B × 0,114. Затем они построили калибровочную кривую, в соответствии с которой определяли концентрацию бактерий в растворе. Предел обнаружения составил 8,81× 104 КОЕ/мл, то есть оказался сопоставим с пределами обнаружения электрохимических или иммунологических методов. В планах исследователей — сконструировать более удобный лайтбокс, а также разработать приложение для смартфона, которое позволило бы автоматически с высокой точностью получать и рассчитывать RGB-параметры снимков.
Предложенная разработка не требует специальных модификаций или использования отдельных запчастей смартфона, но это хороший пример практического применения телефонов «в полевых условиях».
Генератор опухолевых сфероидов
Таким образом, смартфон может быть колориметром, анализатором флуоресценции, устройством для приема и обработки данных, и для этого в нем ничего или почти ничего не надо менять. Американские исследователи зашли с другой стороны — разобрали смартфон и предложили воспользоваться его запчастями. Они применили вибромотор, который можно найти в составе смартфона, для получения опухолевых сфероидов.
Опухолевые сфероиды — удобная модель, которая лучше воспроизводит свойства опухолей, чем двухмерные клеточные культуры. Однако их создание требует трудоемких манипуляций, которые занимают много времени. С помощью новой установки, которую легко собрать из недорогих компонентов, можно получать большие количества опухолевых сфероидов, пригодных для исследований.
Установка, сконструированная авторами работы, состоит из стеклянного капилляра, через который пропускают альгинатный раствор с клетками, и вибрирующего устройства — оно необходимо для того, чтобы разбить струю раствора на капли одинакового размера. Эти капли, попадая в раствор хлорида кальция, формируют
гелевые сферы с клетками внутри, которые затем культивируют в питательной среде для формирования опухолевых сфероидов.
Credit:
С помощью такой конструкции, сообщают авторы, можно получать почти четыре тысячи сфероидов в минуту. Их пригодность ученые проверили в экспериментах in vitro, охарактеризовав на полученной модели диффузию противораковых препаратов.
Обработка сигнала спектрометра
В смартфоне есть и другие полезные компоненты, помимо камеры и вибромотора. В дело вступает звуковая карта — именно ее российские исследователи применили для обработки сигнала сцинтилляционного гамма-спектрометра.
Измерение энергии гамма-излучения необходимо для определения активности изотопов в пробах. Для обработки сигнала спектрометра с помощью аудиокарты смартфона было разработано мобильное приложение. Сигнал от детектора, сообщает разработчик в описании программы, подается на аудиовход смартфона, программа обнаруживает импульсы, измеряет их амплитуду и строит спектр.
Credit:
Голосовое управление системы для выделения ДНК
Еще одно применение смартфона в лаборатории — это голосовое управление устройства для выделения бактериальной ДНК. Такое устройство разработали исследователи из Южной Кореи. Прибор состоит из насоса и четырех камер — для помещения лизата клеток, двух промывок и элюции — которые соединены электромагнитными клапанами. Этими клапанами управляет микроконтроллер, подключенный к модулю Bluetooth. Весь прибор размером с ладонь весит чуть больше 300 граммов и может питаться от портативной батареи или зарядного устройства для смартфона.
Credit:
Управление осуществляется при помощи приложения для смартфона, настроенного на распознавание определенных голосовых команд. Получив сигнал по беспроводной связи, микроконтроллер автоматически запускает загрузку образца, промывку и элюцию ДНК.
Авторы рассчитывают, что их разработка повысит безопасность работы с патогенами, поскольку она сводит к минимуму контакт с исследуемым материалом, хотя лизис клеток по-прежнему необходимо проводить вне чипа. Также это устройство может облегчить исследования ученым с ограниченными возможностями.
(Подробнее — на PCR.NEWS.)
А как вы используете смартфоны в лаборатории? Пишите на editor@pcr.news!
0
