智能手機獲得新技能，變身顯微鏡掃描DNA

加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)研究人員們最近開(kāi)發(fā)出一種新的手機附件設備，能將任何智能手機變成一款DNA掃描熒光顯微鏡。這項創(chuàng )新可望對于醫療診斷帶來(lái)深遠影響，并再次展現如何有效利用智能手機來(lái)降低醫療成本，以及為開(kāi)發(fā)中國家帶來(lái)先進(jìn)的醫療診斷技術(shù)。

 

這款智能手機的附件包括一個(gè)外部透鏡、薄膜干涉濾光器、可微調的微型楔形榫頭支架，以及雷射二極管，全部封裝在一個(gè)以3D打印的小型方盒中，并整合成一款手持式熒光顯微鏡。

 

“DNA單分子在拉長(cháng)時(shí)的寬度約2nm，”UCLA霍華德．休斯醫學(xué)院(HHMI)教授A(yíng)ydogan Ozcan表示，“以透視來(lái)看，它使DNA較人的發(fā)絲還細約50,000倍。目前，為單個(gè)DNA分子進(jìn)行成像需要昂貴又龐大的光學(xué)顯微鏡工具，使其幾乎僅限于先進(jìn)的實(shí)驗室設置才能進(jìn)行。相形之下，這款適用于個(gè)人手機的附件設備顯然就沒(méi)那么昂貴了。”

 

雖然其他“智能手機變身顯微鏡”的設備也能夠成像出較大規模的對象，例如細胞；但是，Ozcan的研究團隊最新開(kāi)發(fā)出的這款智能手機光學(xué)附件，則是首款可成像DNA單分子纖薄鏈以及調整其大小的設備。

 

該設備主要用于遠程的實(shí)驗室設置，以診斷不同類(lèi)型的癌癥與神經(jīng)系統疾病，例如阿爾茲海默癥(Alzheimer)，以及偵測傳染病的抗藥性。為了利用手機上的相機，首先必須以熒光標記隔絕以及標示所需的DNA。Ozcan表示，如今，這種實(shí)驗室程序已經(jīng)能在偏遠地區以及資源有限的環(huán)境下進(jìn)行了。

 

為了掃描DNA，研究團隊開(kāi)發(fā)出可執行在同一支智能手機上的運算接口，以及一款Windows智能應用程序。掃描后的信息可被傳送至遠程O(píng)zcan實(shí)驗室中的服務(wù)器，然后測量DNA分子長(cháng)度。在聯(lián)機可靠可情況下，完整的數據處理過(guò)程只需要10秒鐘的時(shí)間。

 

 

圖中顯示智能手機安裝該成像設備與用戶(hù)接口，并以25美分硬幣作為對比。（來(lái)源：UCLA）
 

 

在Ozcan的實(shí)驗室中，研究人員們成像熒光標記與拉伸DNA節段，為該設備的準確度進(jìn)行測試。結果發(fā)現它能夠可靠地倍增10,000個(gè)堿基對或更長(cháng)的DNA節段(堿基對是構成DNA的基本結構單元)。許多重要的基因都落在這個(gè)大小范圍，包括為金黃色葡萄球菌與其他細菌提供抗生素抗藥性的細菌基因 ，大約有14,000個(gè)堿基對長(cháng)。

 

然而，由于較短節段時(shí)的訊噪比(SNR)偵測減少以及明顯差異，智能手機顯微鏡在5,000或更短堿基對節段時(shí)的準確度急速下降。這時(shí)，必須將該設備的現有透鏡置換成更高數倍數，就可以輕易地解決這個(gè)問(wèn)題。

 

除了用于定點(diǎn)照護診斷，Ozcan建議該平臺也可用于區別高分子量的DNA節段，從而有助于解決使用傳統凝膠電泳的問(wèn)題——在生物化學(xué)和分子生物學(xué)中，這種凝膠電泳經(jīng)常用來(lái)擴展DNA與RNA節段。接下來(lái)，Ozcan及其研究團隊計劃測試該領(lǐng)域的其他組件，進(jìn)一步偵測與瘧疾有關(guān)的抗藥性。