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(jī)附件設(shè)備，能將任何智能手機(jī)變成一款DNA掃描熒光顯微鏡。這項(xiàng)創(chuàng)新可望對(duì)于醫(yī)療診斷帶來(lái)深遠(yuǎn)影響，并再次展現(xiàn)如何有效利用智能手機(jī)來(lái)降低醫(yī)療成本，以及為開(kāi)發(fā)中國(guó)家?guī)?lái)先進(jìn)的醫(yī)療診斷技術(shù)。

 

這款智能手機(jī)的附件包括一個(gè)外部透鏡、薄膜干涉濾光器、可微調(diào)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(zhǎng)時(shí)的寬度約2nm，”UCLA霍華德．休斯醫(yī)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(xì)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(yàn)室設(shè)置才能進(jìn)行。相形之下，這款適用于個(gè)人手機(jī)的附件設(shè)備顯然就沒(méi)那么昂貴了。”

 

雖然其他“智能手機(jī)變身顯微鏡”的設(shè)備也能夠成像出較大規(guī)模的對(duì)象，例如細(xì)胞；但是，Ozcan的研究團(tuán)隊(duì)最新開(kāi)發(fā)出的這款智能手機(jī)光學(xué)附件，則是首款可成像DNA單分子纖薄鏈以及調(diào)整其大小的設(shè)備。

 

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

 

為了掃描DNA，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出可執(zhí)行在同一支智能手機(jī)上的運(yùn)算接口，以及一款Windows智能應(yīng)用程序。掃描后的信息可被傳送至遠(yuǎn)程O(píng)zcan實(shí)驗(yàn)室中的服務(wù)器，然后測(cè)量DNA分子長(zhǎng)度。在聯(lián)機(jī)可靠可情況下，完整的數(shù)據(jù)處理過(guò)程只需要10秒鐘的時(shí)間。

 

 

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

 

在Ozcan的實(shí)驗(yàn)室中，研究人員們成像熒光標(biāo)記與拉伸DNA節(jié)段，為該設(shè)備的準(zhǔn)確度進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)它能夠可靠地倍增10,000個(gè)堿基對(duì)或更長(zhǎng)的DNA節(jié)段(堿基對(duì)是構(gòu)成DNA的基本結(jié)構(gòu)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(xì)菌提供抗生素抗藥性的細(xì)菌基因 ，大約有14,000個(gè)堿基對(duì)長(zhǎng)。

 

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

 

除了用于定點(diǎn)照護(hù)診斷，Ozcan建議該平臺(tái)也可用于區(qū)別高分子量的DNA節(jié)段，從而有助于解決使用傳統(tǒng)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(kuò)展DNA與RNA節(jié)段。接下來(lái)，Ozcan及其研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃測(cè)試該領(lǐng)域的其他組件，進(jìn)一步偵測(cè)與瘧疾有關(guān)的抗藥性。