Microscopio económico impreso en 3D puede detectar el coronavirus en la sangre

Un microscopio digital que utiliza holografía y tecnología de aprendizaje profundo podría detectar COVID-19 en una gota de sangre. Se puede hacer un diagnóstico en el lugar en cuestión de minutos en lugar de las horas o, a veces, los días que puede tomar. Prueba de PCR resultados para volver.

El sistema, que utiliza microscopía holográfica digital, podría usarse en áreas que carecen de instalaciones de atención médica, así como en hospitales cuyos laboratorios están llenos de pruebas.

Eso es según uno de los desarrolladores de la máquina, IEEE Fellow Bahram Javidi. Es el director del Laboratorio de Sistemas de Imagen y Detección Óptica Multidimensional en el Universidad de Connecticut en Storrs. Sus colaboradores fueron Dr. Bruce T. Liang, Timothy O’Connor y Dr. Jian-Bing Shen. Liang es decano de la facultad de medicina de la universidad, O’Connor es un estudiante de posgrado en ingeniería biomédica y Shen es médico en el centro médico de la universidad. El artículo de los investigadores sobre sus hallazgos preliminares “Aprendizaje profundo holográfico digital de glóbulos rojos para detección de COVID-19 rápida y portátil en el campo, “se publicó en la edición del 15 de mayo de la Optical Society’s Letras de óptica.

La luz emitida por el diodo láser ilumina los glóbulos rojos, que luego se magnifican con la lente del objetivo del microscopio. La placa de vidrio crea reflejos tanto en la superficie frontal como en la trasera. Los dos rayos reflejados interfieren a sí mismos para formar un holograma digital.Tim O’Connor

Javidi dijo El Instituto el proyecto surgió de su deseo de ayudar a detener la propagación del coronavirus en partes de África, Asia y otros lugares que tienen recursos limitados.

“Quería encontrar una manera de realizar una prueba rápida del virus a partir de una gota de sangre utilizando un sistema de identificación de enfermedades asequible, portátil y rápido”, dice.

Eso es exactamente lo que desarrollaron los investigadores. La máquina utiliza componentes de bajo costo que, según Javidi, se pueden obtener fácilmente, incluida una cámara, un diodo láser, una lente objetivo, una placa de vidrio y un sensor de imagen CMOS. El cuerpo del microscopio se puede hacer con una impresora 3D.

PROBANDO UNA TEORIA

Varias enfermedades pueden modificar los glóbulos rojos de una persona. Javidi, que no es médico, se preguntó si podría ocurrir lo mismo con el coronavirus.

“Las firmas serían muy pequeñas, a nivel de nanoescala, pero los cambios en los glóbulos rojos todavía estarían allí”, dice.

Confirmó su teoría con los médicos del Centro de salud UConn. Los hematólogos que estudian COVID-19 informaron haber visto cambios en las células sanguíneas de sus pacientes, como niveles de hemoglobina y hematocrito significativamente más bajos. Además, dice Javidi, se han informado cambios morfológicos en pacientes con COVID positivo. Él y su equipo también encontraron una investigación reciente en pacientes con COVID-19 que sugiere diferencias estadísticamente significativas en el tamaño y la forma de los glóbulos rojos, especialmente en aquellos con un caso grave del virus.

El equipo de investigación de Javidi decidió explorar la microscopía holográfica digital, que se utiliza en imágenes de células, clasificación de células e identificación de enfermedades.

“DHM ha atraído un gran interés debido a su funcionamiento sin manchas, su capacidad de reenfoque numérico y su funcionamiento de disparo único, lo que se presta como una herramienta poderosa para la investigación de muestras biológicas.“, escribieron los investigadores en su artículo.” La tecnología tiene una buena resolución vertical, lo que ayuda a los investigadores a tener una mejor idea de la morfología de las células. Y debido a que depende de las computadoras para gran parte del procesamiento de imágenes, es fácil de usar “.

La tecnología ha podido identificar la malaria, la diabetes, la anemia de células falciformes y otras enfermedades a través de muestras de sangre.

En el microscopio holográfico del equipo, la luz del diodo láser pasa a través de la muestra de sangre y luego se amplía con una lente de objetivo. Luego, parte de la luz rebota en el frente de una placa de vidrio y parte en la parte posterior, creando dos copias de la luz que han pasado a través de la muestra. Eso crea un holograma que luego es registrado por un sensor de imagen. Un técnico puede trabajar computacionalmente con el holograma para reconstruir un perfil 3D de la muestra.

“Quería encontrar una manera de detectar rápidamente el virus a partir de una gota de sangre utilizando un sistema de identificación de enfermedades asequible, portátil y rápido”.

Las células individuales se reconstruyen numéricamente para recuperar el perfil de fase de las células debido a la propagación e interacción de la luz a través de las células, y luego se ingresan en la red de aprendizaje profundo para ser clasificadas.

Debido a que ninguna característica de las células era indicativa de infección, el equipo midió una serie de características diferentes y las introdujo en la red para clasificarlas.

El equipo de Javidi trabajó con médicos del centro de salud de la universidad para obtener las muestras de sangre. El estudio analizó más de 1.400 glóbulos rojos, de los cuales 840 provenían de 10 pacientes que dieron positivo al virus y 630 de 14 trabajadores de la salud que dieron negativo. El sistema de microscopio encontró que el 80 por ciento de los pacientes tenían el virus y que 13 de los 14 trabajadores estaban libres de virus.

Los resultados preliminares fueron positivos, pero hubo limitaciones para la investigación, dice Javidi. No está claro qué tan efectiva será la prueba para la detección temprana, porque las muestras se tomaron de pacientes que tenían un caso moderado del virus.

Javidi dice que el siguiente paso es continuar analizando muestras de sangre de pacientes con COVID-19. Le gustaría ampliar el grupo de muestras para incluir personas fuera de los Estados Unidos y está buscando colaboradores.

Busca financiación de EE. UU. Fundación Nacional de Ciencia.

Puede obtener más información sobre el proyecto en el laboratorio sitio web o viendo esto video.