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Winziges $10 Mikroskop
Ein winziges Mikroskop, das die gleiche Art von Chip verwendet, die in Digitalkameras verwendet wird, kann hochauflösende Bilder von Zellen ohne die teuren, platzraubenden Objektive erzeugen, die seit Jahrhunderten Teil des Mikroskopdesigns sind. Forscher von Caltech, die das revolutionäre Bildgebungssystem entwickelt haben, sagen, dass die Geräte zu einem Preis von jeweils 10 US-Dollar in Massenproduktion hergestellt und in große Arrays integriert werden könnten, was eine Hochdurchsatz-Bildgebung in Biologielabors ermöglicht. Das Gerät könnte auch den Zugang zur Bildgebungstechnologie erweitern: Eingebaut in Geräte in PDA-Größe könnten die Mikroskope beispielsweise Landärzten ermöglichen, hochentwickelte Bildgebungssysteme in der Tasche zu tragen.
Miniaturmikroskop: Dieses winzige Mikroskop, bei dem eine Probe mittels Mikrofluidik über einen Bildgebungschip einer Digitalkamera geleitet wird, hat die gleiche Auflösung wie ein herkömmliches Lichtmikroskop.
Das Caltech-Gerät verwendet ein System winziger Flüssigkeitskanäle, das als Mikrofluidik bezeichnet wird, um Zellen und sogar mikroskopisch kleine Tiere über einen Lichtsensorchip zu leiten. Der Chip, ein handelsüblicher Sensor, der mit denen von Digitalkameras identisch ist, ist mit einer dünnen Metallschicht bedeckt, die die meisten Pixel ausblendet. Einige hundert winzige Öffnungen, die entlang des Flüssigkeitskanals in das Metall gestanzt sind, lassen Licht ein. Während die Probe durch das Mikroskop fließt, nimmt jede Öffnung ein Bild auf. Eine Version des Mikroskops verwendet die Schwerkraft, um den Fluss der Probe durch die Öffnungen zu steuern. Eine andere Version, die eine viel bessere Kontrolle ermöglicht, verwendet ein elektrisches Potenzial, um den Zellfluss anzutreiben.
Die 100 bis 200 Bilder werden dann mit einer einfachen Bildbearbeitungssoftware kombiniert. Die Rechenleistung in einem PDA ist mehr als ausreichend, um die Berechnungen durchzuführen, sagt Caltech-Ingenieur Changhuei Yang , der das Mikroskop entworfen hat. Das Mikroskop muss von oben beleuchtet werden, aber Sonnenlicht ist ausreichend. Die Auflösung des Mikroskops ähnelt der eines herkömmlichen Lichtmikroskops – etwa ein Mikrometer – und wird durch die Größe der Aperturen begrenzt.
Yangs Gerät ist Teil einer neuen Revolution in der Mikroskopie, sagt Michael Feld , ein Physiker am MIT. Normale Mikroskope seien nicht mehr das einzige Spiel in der Stadt, sagt er. Zu den weiteren jüngsten Fortschritten gehören ausgeklügelte Technologien zur Überwindung der seit langem bestehenden physikalischen Beschränkungen der Auflösung von Lichtmikroskopen und zur Verbesserung ihrer Eindringtiefe in Gewebe . Yangs winziges Mikroskop führt die Technologie jedoch in eine andere, einfachere Richtung. Er sei günstig, kompakt und elegant, sagt Feld.
Yang sagt, dass die Mikroskope mit herkömmlichen Fertigungstechniken hergestellt werden könnten, die in der Halbleiterindustrie verwendet werden, und in Arrays von Hunderten oder sogar Tausenden für eine automatisierte Bildgebung mit hohem Durchsatz gruppiert werden könnten. Zusätzliche Bildverarbeitungssoftware könnte Forscher auf interessierende Zellen in einer Probe aufmerksam machen und ihnen so Zeit geben, während des Experiments etwas anderes zu tun.
Die Miniaturmikroskope haben eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten. Weil sie billig und kompakt sind, hofft Yang, dass sie in tragbaren Geräten in Entwicklungsländern verwendet werden. Der Goldstandard zum Nachweis von Malaria sei die Untersuchung einer Blutprobe unter einem Hochleistungsmikroskop, sagt er. Herkömmliche Mikroskope sind jedoch zu zerbrechlich, unhandlich und energiehungrig, um sie an vielen Orten einzusetzen, an denen der Blutparasit vorherrscht. Zehn-Dollar-Mikroskope könnten in PDA-große Geräte eingesetzt werden, die die Bilder auf einem kleinen Bildschirm anzeigen. Ein solches Gerät würde wahrscheinlich etwa 100 US-Dollar kosten; die Mikroskopsysteme könnten bei Verschleiß wie Druckerpatronen ausgetauscht werden.
Die Geräte könnten auch nützlich sein, um Krebs zu verfolgen. Yang begann vor kurzem eine Zusammenarbeit mit Richard Cote , einem Urologen an der University of Southern California, der Geräte zur Echtzeitüberwachung von Krebstherapien entwickelt. Die Technologie von Cote verwendet Filter, um große, wandernde Krebszellen aus dem Blut zu entfernen. Ärzte müssen sich die Zellen ansehen, um festzustellen, ob sich der Krebs eines Patienten ausbreitet, aber die Zellen auf einen Objektträger zu legen, ist einfach nicht praktikabel. Linsen sind der limitierende Vorschlag, und Yangs System eliminiert sie, sagt Cote. Yang stellt sich auch implantierbare Mikroskope vor, die nach wandernden Krebszellen suchen und eine Teilmenge von Bildern identifizieren, die ein Kliniker manuell untersuchen kann.
Hochdurchsatz-Bildgebung wird ein Segen für Pharmaunternehmen sein, sagt Peter So , Leiter des Labors für Bioinstrumentation Engineering, Analysis and Microscopy am MIT. Während der Medikamentenentwicklung werden Hunderte von Versionen desselben Wirkstoffs zunächst in Zellen getestet. Der aktuelle Stand der Technik besteht darin, Zellen in winzigen Wells auszuplattieren und sie dann Medikamenten auszusetzen und dann ihre Reaktion mit einer Kombination von Technologien, einschließlich Mikroskopie, zu testen. Mikrofluidische Systeme zur Handhabung von Zellen würden kleinere Proben erfordern und den Prozess beschleunigen, aber sie wurden nicht weit verbreitet, da es bis zum Caltech-Fortschritt keine Möglichkeit gab, die Bildgebung in diese Geräte zu integrieren, sagt So.
Yang sagt, dass er mit mehreren Firmen über die Kommerzialisierung des Mikroskops auf einem Chip spricht und hofft, dass es in fünf Jahren auf dem Markt sein wird. Er arbeitet auch an Modifikationen des Systems, um die Fluoreszenzbildgebung zu ermöglichen – die Mikroskope können derzeit keine Farben erkennen – und um die Auflösung der Oszilloskope zu erhöhen.