3Dプリント顕微鏡で血液中の新型コロナウイルスを迅速に検出

出典: ieee.org

ホログラフィーとディープラーニングを活用したデジタル顕微鏡は、一滴の血液からCOVID-19を検出できる。 PCR 検査の結果が出るまでに数時間、場合によっては数日かかるのに対し、現場では数分で診断が可能です。

このシステムはデジタルホログラフィック顕微鏡技術を使用しており、医療施設が不足している地域や、検査の遅れがある病院でも使用できます。ジャビディ氏は研究所に対し、このプロジェクトは、アフリカ、アジア、その他の資源が限られている地域でのコロナウイルスの拡散防止に貢献したいという思いから生まれたと語った。

「手頃な価格で持ち運び可能、迅速な病気特定システムを使って、一滴の血液からウイルスを素早く検出する方法を見つけたいと思った」と彼は語った。

研究者たちが開発したのがまさにこれです。ジャビディ氏は、この機械にはカメラ、レーザーダイオード、対物レンズ、ガラス板、CMOSイメージセンサーなど、簡単に入手できる低コストの部品が使われていると語った。顕微鏡本体は3Dプリンターで作ることができます。

理論のテスト<br /> 多くの病気が人の赤血球に変化をもたらす可能性があります。医師ではないジャバディさんは、コロナウイルスでも同じことが言えるのだろうかと疑問に思った。「ナノスケールではその痕跡は非常に小さいが、赤血球の変化は依然として残っている」と彼は語った。彼とコネチカット大学保健学部の医師らは彼の理論を裏付けた。 COVID-19を研究している血液学者は、患者の血液細胞にヘモグロビンやヘマトクリット値の大幅な低下などの変化が見られると報告している。さらに、ジャビディ氏は、COVID陽性患者では形態学的変化も報告されていると述べた。同氏と研究チームはまた、最近のCOVID-19患者の研究で、特にウイルスの症状が重い患者において、赤血球の大きさと形状に統計的に有意な差が見られることも発見した。

ジャビディの研究チームは、細胞の画像化、細胞の分類、病気の特定のために使用されるデジタルホログラフィック顕微鏡を研究することに決めました。「DHM は、染色を必要とせず、デジタルで再フォーカスでき、シングルショットで操作できるため、大きな関心を集めており、生物サンプルの調査に強力なツールとなっている」と研究者らは論文に記している。この技術は垂直解像度に優れており、研究者が細胞の形態をより深く理解するのに役立つ。また、画像処理にはコンピューターを多用しているため、使いやすいです。 ”

この技術はすでに血液サンプル中のマラリア、糖尿病、鎌状赤血球貧血症などの病気を特定できるようになっている。研究チームのホログラフィック顕微鏡では、レーザーダイオードからの光が血液サンプルを通過し、対物レンズによって増幅される。すると、光の一部はガラス板の前面で反射し、一部は背面で反射して、サンプルを通過した光のコピーが 2 つ作成されます。これによりホログラムが作成され、それが画像センサーによって記録されます。技術者はホログラムを使用して、サンプルの 3 次元輪郭を計算的に再構築できます。

光が細胞内を伝播し相互作用した後、個々の細胞を数値的に再構築して細胞位相プロファイルを取得し、それを深層学習ネットワークに入力して分類します。

感染を示す細胞の特徴は一つもなかったため、研究チームはさまざまな特徴を測定し、それを分類のためにネットワークに入力しました。

ジャビディ氏のチームは大学の保健センターの医師らと協力して血液サンプルを採取した。この研究では、ウイルス検査で陽性となった10人の患者から採取した840個と、陰性となった14人の医療従事者から採取した630個を含む、1,400個以上の赤血球を調べた。顕微鏡システムにより、患者の80％がウイルスを保有していたが、職員14人のうち13人はウイルスを保有していなかったことが判明した。

ジャビディ氏は、予備的な結果は肯定的だが、研究には限界もあると述べた。この検査はウイルスに中等度感染した患者から採取されたため、早期発見にどの程度効果があるかは不明だ。

ジャビディ氏は、次のステップはCOVID-19患者の血液サンプルの検査を継続することだと述べた。彼はサンプルプールを米国外の人々まで拡大したいと考えており、協力者を求めている。

彼は国立科学財団から資金援助を求めている。

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