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Las enfermedades infecciosas como la malaria siguen siendo una de las principales causas de muerte en muchas regiones. Esto se debe en parte a que las personas carecen de acceso a herramientas médicas de diagnóstico que puedan detectar estas enfermedades (junto con una serie de enfermedades no infecciosas) en una etapa temprana, cuando hay más espacio para el tratamiento.
Es un desafío al que se han enfrentado los científicos, con el objetivo de democratizar la atención médica para las personas económicamente desfavorecidas de todo el mundo.
Mis colegas y yo hemos desarrollado un nuevo método para estudiar células biológicas que es lo suficientemente pequeño como para caber en la lente de un teléfono inteligente.
Aunque hasta ahora solo lo hemos probado en el laboratorio, esperamos que en el futuro esta nanotecnología permita la detección de enfermedades en entornos médicos del mundo real usando solo un dispositivo móvil. Esperamos que nuestro trabajo pueda finalmente ayudar a salvar millones de vidas.
Cómo estudiar una célula biológica
Ser capaz de estudiar células biológicas a través de microscopios ópticos es una parte clave del diagnóstico médico.
Esto se debe a que los cambios específicos en las células que se pueden observar al microscopio suelen ser indicativos de una enfermedad. En el caso de la malaria, por ejemplo, el método de detección estándar implica el uso de imágenes de microscopio para identificar cambios específicos en los glóbulos rojos de un paciente.
Pero las células biológicas son buenas para esconderse. Muchas de sus características internas son prácticamente transparentes y casi invisibles para los microscopios convencionales. Para que estas características sean visibles, necesitamos aplicar trucos.
Una forma es introducir algún tipo de tinción química, que agrega contraste a las características transparentes de las células.
Otros enfoques utilizan un proceso llamado “imagen de fase”. Las imágenes de fase aprovechan el hecho de que la luz, que ha pasado a través de la célula, contiene información sobre las partes transparentes de la célula y hace que esta información sea visible para el ojo humano.
Los métodos de generación de imágenes de fase convencionales se basan en una variedad de componentes voluminosos, como prismas y configuraciones de interferencia, que cuestan miles de dólares. Además, los equipos costosos y voluminosos no pueden estar fácilmente disponibles en regiones remotas y países económicamente desfavorecidos.
Introduzca la nanotecnología
Actualmente, un importante esfuerzo científico está dirigido a explotar la nanotecnología para reemplazar los grandes componentes ópticos tradicionales.
Esto se hace mediante la creación de dispositivos con un grosor de nanómetros con el potencial de una producción en masa de bajo costo. Estos dispositivos podrían integrarse en dispositivos móviles, como cámaras de teléfonos inteligentes, en el futuro.
En el caso específico de la generación de imágenes de fase, los científicos solo han podido desarrollar anteriormente sistemas que: se basan en un posprocesamiento computacional que consume mucho tiempo, lo que hace que el proceso sea más complejo y no permite la generación de imágenes en tiempo real, aún utilizan el movimiento mecánico o la rotación partes. Debido a los requisitos de espacio de estas piezas, son incompatibles con componentes ópticos completamente planos y una integración ultracompacta.
Hemos desarrollado un dispositivo capaz de tomar imágenes de fase instantánea sin estas limitaciones. Nuestra solución tiene solo unos pocos cientos de nanómetros de espesor y podría integrarse en lentes de cámara en forma de una película plana sobre la lente.
como lo hicimos
Hemos inscrito una nanoestructura en una película muy delgada (menos de 200 nanómetros de espesor) que permite obtener imágenes de fase utilizando un efecto que a veces se denomina “acoplamiento óptico de órbita giratoria”.
El principio de funcionamiento es simple. Se coloca un objeto transparente, como una célula biológica, encima del dispositivo. La luz se irradia a través de la celda y la estructura previamente invisible de la celda se vuelve visible desde el otro lado.
En nuestra reciente publicación en ACS Photonics, detallamos cómo hemos demostrado con éxito el uso de este método en un entorno de laboratorio, con objetos transparentes generados artificialmente. Los objetos tenían solo unos pocos micrómetros de tamaño y, por lo tanto, eran comparables a las células biológicas.
Dado que este método permite la obtención de imágenes de fase, pero no se ocupa de la ampliación de objetos pequeños como las células, actualmente todavía requiere lentes voluminosos para proporcionar la ampliación. Sin embargo, estamos seguros de que nuestro dispositivo podría integrarse con lentes planas en el futuro, surgiendo de otros avances en nanotecnología.
¿Adónde podría llevarnos?
Un desafío con el prototipo actual del dispositivo es el costo de fabricación de alrededor de A $ 1,000. Hemos utilizado varios métodos costosos de nanofabricación que también se utilizan para la fabricación de chips de computadora.
Dicho esto, al aprovechar las economías de escala asociadas con la fabricación de chips, creemos que podemos lograr una producción rápida y de bajo costo de este dispositivo en los próximos años.
Hasta ahora solo hemos hecho este trabajo en el laboratorio. Ver que la tecnología esté disponible en dispositivos médicos móviles requerirá la colaboración de ingenieros médicos y científicos que se especialicen en desarrollar tales herramientas.
Nuestra visión a largo plazo para la tecnología es permitir que los dispositivos móviles estudien muestras biológicas de una manera que aún no ha sido posible.
Además de permitir el diagnóstico médico remoto, también podría proporcionar detección de enfermedades en el hogar, donde un paciente podría obtener su muestra a través de la saliva o un pinchazo de sangre y enviar la imagen a un laboratorio en cualquier parte del mundo.
