智能手機獲得新技能，變身顯微鏡掃描DNA

加州大學洛杉磯分校(UCLA)研究人員們最近開發(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(yī)療診斷帶來深遠影響，并再次展現如何有效利用智能手機來降低醫(yī)療成本，以及為開發(fā)中國家?guī)硐冗M的醫(yī)療診斷技術。

 

這款智能手機的附件包括一個外部透鏡、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單分子在拉長時的寬度約2nm，”UCLA霍華德．休斯醫(yī)學院(HHMI)教授Aydogan Ozcan表示，“以透視來看，它使DNA較人的發(fā)絲還細約50,000倍。目前，為單個DNA分子進行成像需要昂貴又龐大的光學顯微鏡工具，使其幾乎僅限于先進的實驗室設置才能進行。相形之下，這款適用于個人手機的附件設備顯然就沒那么昂貴了。”

 

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(guī)模的對象，例如細胞；但是，Ozcan的研究團隊最新開發(fā)出的這款智能手機光學附件，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驗室設置，以診斷不同類型的癌癥與神經系統(tǒng)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，這種實驗室程序已經能在偏遠地區(qū)以及資源有限的環(huán)境下進行了。

 

為了掃描DNA，研究團隊開發(fā)出可執(zhí)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Ozcan實驗室中的服務器，然后測量DNA分子長度。在聯機可靠可情況下，完整的數據處理過程只需要10秒鐘的時間。

 

 

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

 

在Ozcan的實驗室中，研究人員們成像熒光標記與拉伸DNA節(jié)段，為該設備的準確度進行測試。結果發(fā)現它能夠可靠地倍增10,000個堿基對或更長的DNA節(jié)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個堿基對長。

 

然而，由于較短節(jié)段時的訊噪比(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(jié)段時的準確度急速下降。這時，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問題。

 

除了用于定點照護診斷，Ozcan建議該平臺也可用于區(qū)別高分子量的DNA節(jié)段，從而有助于解決使用傳統(tǒng)凝膠電泳的問題——在生物化學和分子生物學中，這種凝膠電泳經常用來擴展DNA與RNA節(jié)段。接下來，Ozcan及其研究團隊計劃測試該領域的其他組件，進一步偵測與瘧疾有關的抗藥性。