3d-printade mikroskop som kopplas till en smartphone och hittar cancer låter möjligen som en innovation från en avlägsen framtid, eller science fiction. Men faktum är att tekniken redan finns. Det nya mikroskopet, som redan har konstaterats kunna ersätta stora maskinparker av dyr specialutrustning, är resultatet av ett samarbete mellan forskare på California Nanosystems Institute vid UCLA, som har byggt själva mikroskopet, och forskare vid Stockholms och Uppsala universitet och på SciLifeLab i Stockholm, som har arbetat med analysen av DNA-kedjorna. Forskare menar nu att det 3d-printade mikroskopet, som i en studie bland annat har kunnat fastställa tjocktarmscancer och erbjuder kostnadseffektiv DNA-sekvensering och genetisk mutationsanalys, också kan bli ett nytt vapen mot antibiotikaresistens. 

Molekylär diagnostik direkt hos patienten i vårdmiljön är ett inte bara ett stort och icke tillgodosett problem i resursfattiga områden världen över. Även i välutvecklade länder krävs molekylär diagnostik för att hjälpa läkare att identifiera de genetiska mutationer som orsakat t.ex tumörer, utöver att identifiera cancercellen med hjälp av dess form, fysikaliska egenskaper eller morfologi. För att kunna bestämma den optimala cancerbehandlingen krävs ofta kompletterande information som tas fram med molekylär diagnostik, via tekniker som varken är direkt lättillgängliga eller kostnadseffektiva. Eller rättare sagt: de har inte varit lättillgängliga, tills nu.

Möjligheterna till effektiv hantering av ett brett spektrum av sjukdomstillstånd har hittills varit starkt begränsade p.g.a. av brist på molekylär information inom det framväxande området molekylär patologi. Därför är det onekligen en milstolpe för den telemedicinska tekniken att man nu med hjälp av 3d-printade mobiltelefonmikroskop, kan utföra DNA-sekvenserings och in situ (dvs på plats) punktmutationsdetektionsanalyser i bevarade tumörprover.

Specialiserade labb har dominerat analysmarknaden
De avancerade instrument som krävs för att utföra dessa komplexa analyser har hittills gjort att läkare varit hänvisade till specialiserade laboratorier. Inom detta segment kan den nu aktuella 3d-printade uppfinningen inom digital patologi och telemedicin göra det möjligt för patologer att snabbt och kostnadseffektivt analysera molekylärdiagnostiska data på distans. Allt som krävs är en anpassad IT-infrastruktur för bildbehandling och diagnostisk analys. Plus en mobiltelefon med en högst ordinär inbyggd kamera.

I detta nya paradigm kan vanliga mobiltelefoner alltså komma att utgöra en viktig funktion. Där marknadsaktörerna sedan länge har slagits om att ständigt utveckla bättre teknik för bildbehandling och avkänningskapacitet, beräkningskraft och anslutningsmöjligheter, existerar nu en underliggande teknikmarknad för att hjälpa till att översätta biomedicinska mätningar från labbmiljöer till den patientnära vården. Till exempel är det nu möjligt att med hjälp av mobilkamerornas CMOS-bildsensorer avbilda tumörprover med brett synfält, rumslig upplösning och en bildkvalitet som matchar high-end patologimikroskop, som kan kosta så mycket som uppåt 50 000 dollar för de dyraste modellerna.

Från att tidigare enbart kunna utföra analyser på högteknologiska labb, öppnas nu alltså möjligheter att utföra samma tester på helt vanliga vårdcentraler. Tekniken skulle också kunna nyttjas t.ex. i otillgängliga områden där överföringen av information kan ske via satellit, efter att mobiltelefonmikroskopet har gjort grovjobbet.

Det 3d-printade smartphonemikroskopet
Det lilla, enkla och billiga mikroskopet som skrivs ut i en 3D-skrivare och kopplas till kameran i en mobiltelefon, kan granska prover från en tumör eller bakterier, virus och svampceller. Mikroskopet och mobiltelefonen kan visa hur DNA-kedjorna i provet ser ut, och om läkarna upptäcker vissa varianter vet de precis vilken form av cancer, bakterie eller virus det rör sig om. Den här typen av undersökning kallas DNA-sekvensering och är viktig för att veta vilken behandling som sannolikt kommer att bli mest effektiv.

Tekniken har redan använts för att diagnosticera cancertumörer i tjocktarmen. Genom att granska vissa mutationer i tumören har man kunnat utesluta vissa behandlingar som man vet inte kommer fungera. Tekniken gör det också möjligt att skicka bilder och information om DNA till läkare som befinner sig på andra ställen i världen. Forskarna hoppas också att tekniken ska kunna användas för att snabbare kunna ställa rätt diagnoser på virusinfektioner, som till exempel ebola eller zika-virus.

Jag är van vid att det behövs stora, dyrbara och komplicerade apparater som fyller ett helt rum för att göra DNA-sekvensering. För mig var tanken att man skulle kunna göra detta med en mobiltelefon väldigt intressant. Det öppnar för många nya och väldigt viktiga användningsområden, säger Mats Nilsson på Stockholms och Uppsala universitet och SciLifeLab i Stockholm.

I dag utförs DNA-sekvensering i specialiserade laboratorier, men det lilla 3D-printade mikroskopet kan göra tekniken tillgänglig för många fler människor, även i fattiga delar av världen.

Aydogan Ozcan, professor i elektroteknik och bioteknik vid UCLA, menar den nya anordningen skulle kunna tillverkas för mindre än 500 dollar styck, vilket är avsevärt mycket billigare än den utrustning labben använder för att utföra samma tester idag. Dessutom är den är inte beroende av kontinuerlig tillgång till elektricitet eftersom den drivs av telefonens batteri.

Ett typiskt mikroskop med flera bildlägen skulle kosta runt 10 000 dollar styck, medan mer avancerade versioner, såsom den som vi använde för att validera vårt mobiltelefonmikroskop, kostar 50 000 dollar eller mer, säger Ozcan.

Det delvis svenskutvecklade mobilmikroskopet

Hur fungerar tekniken?
Forskargruppen använde en vanlig smartphonekamera i mikroskopet som kan fånga flerfärgsfluorescens och ljusstarka bilder med samma kvalitet som den mycket dyrare tekniken kan producera. Ett vävnadsprov placeras i en liten behållare, varpå mobiltelefmikroskopet spelar in bilder av provet och matar data till en algoritm som automatiskt analyserar bilderna för att avläsa de sekvenserade DNA-baserna i det extraherade tumör-DNA:t, eller för att hitta genetiska mutationer direkt i tumörvävnaden. Även små mängder med cancerceller kan hittas bland en stor grupp av normala celler.

– Mycket billig DNA-sekvensering och tumörbiopsianalys, där morfologi och mutationsanalys kombineras, kan avsevärt minska de diagnostiska kostnaderna och göra det mer tillgängligt, förklarar Malte Kühnemund vid SciLifeLab.

Qingshan Wei vid UCLA menar att plattformen så småningom också skulle kunna användas för att identifiera sjukdomsframkallande bakterier och mikroorganismer, och för att mäta de genetiska signaturerna av antibiotikaresistens.

Forskningen har fått stöd av the National Science Foundation, the Office of Naval Research, the Army Research Office, the Howard Hughes Medical Institute, Svenska Vetenskapsrådet, svenska Cancerfonden, SciLifeLab och OncoTrack, ett projekt under EU:s initiativ för innovativa läkemedel.

Automatiserade diagnostiska tester för antimikrobiell resistensbestämning
Utan effektiv antibiotika skulle andelen lyckade cancerbehandlingar, transplantationer och operationer kan bli betydligt svårare att genomföra, och omfattningen av en global spridning av resistenta bakterier skulle kunna få ödesdigra konsekvenser. Kostnaden för sjukvård för patienter med resistenta infektioner är faktiskt redan idag högre än vård av patienter med icke-resistenta infektioner, på grund av längre varaktighet av sjukdom, fler tester och att man behöver behandla patienterna med dyrare läkemedel. Enligt WHO drabbas 480 000 människor av multiresistent tuberkulos varje år, och dessutom börjar läkemedelsresistens också komplicera kampen mot HIV och malaria.

Innan antibiotika togs i bruk var bakteriesjukdomar som lunginflammation eller operationsrelaterade infektioner farliga och kunde lätt leda till döden. I dag börjar dessa läkemedel sakta men säkert bli alltmer obrukbara. Missbruket av antibiotika riskerar att spoliera decennier av medicinska framsteg, och det är främst slarv – ofta förskrivs det i onödan, med fel dosering eller varaktighet – som ligger bakom denna olyckliga utveckling.

Den teknik UCLA-forskarna har tagit fram för automatiserade diagnostiska tester för antimikrobiell resistensbestämning med hjälp av en smartphone, kanske inte kommer lösa problemet, men det skulle kunna leda till mycket lättare rutintestning för resistens i områden med begränsade resurser för sjukdomar som bakteriella patogener hänförligt till exempelvis lunginflammation, diarré och blodförgiftning.

Antibiotika är ett effektivt medel mot bakterier. Men nu börjar vi förlora det vapnet när bakterierna blir resistenta. När det gäller tuberkulos är resistensen ett stort problem. Men om man kan analysera på DNA-nivå och ta reda på om en bakterie är känslig mot en viss typ av antibiotika kan man välja rätt behandling från början. Där tror jag att det här konceptet har sin stora styrka, säger Mats Nilsson på Stockholms och Uppsala universitet och SciLifeLab i Stockholm.

En del av utmaningen i att bekämpa spridningen av dessa organismer har varit den begränsade förmågan att utföra resistensbestämning i regioner som inte har tillgång till labb, testutrustning och utbildade diagnostiska tekniker för att läsa sådana tester.

Smartphone för diagnos och resistensbestämning

– Detta arbete är oerhört viktigt och lägligt med tanke på att läkemedelsresistenta bakterier alltmer ett globalt hot som gör många av våra första linjens antibiotika ineffektiva. Vår nya smartphonebaserade teknik kan hjälpa till att utföra laboratoriekvalitetstester i mycket mer omfattande, särskilt i resursbegränsade regioner, menar Aydogan Ozcan vid UCLA.

Vid antimikrobiell resistensbestämning ansluts enheten precis som i fallet ovan till en smartphone, nu med en platta med plats för 96 håligheter för testning. En matris med lysdioder belyser provet och sedan används telefonens kamera för att avkänna små förändringar i ljustransmission av varje hålighet, innehållandes antibiotika. Bilderna skickas till en server för automatisk resistensbestämning och resultaten återförs därefter till smartphonen inom en minut.

98,2 procent träffsäkerhet
Forskarna har testat enheten i kliniska situationer där man använde speciella plattor bestrukna med 17 olika typer av antibiotika som används mot Klebsiella pneumoniae, en bakterie som innehåller högresistenta antimikrobiella profiler. Under de kliniska testerna använde ma 78 prover från patienter. Deras resultat visade att den mobiltelefonbaserade läsaren uppfyller FDAs definierade kriterier för laboratorietester, med en exakthet av anmärkningsvärda 98,2 procent.

– Den mobila läsaren kan eliminera behovet av utbildade diagnostiker för att utföra resistensbestämning och minska kostnaderna för rutintestning, och hjälpa till att spåra bakterieresistens globalt. En ytterligare fördel med denna teknik är möjligheten att undersöka bakteriell tillväxt i närvaro av ett läkemedel vid en tidigare tidpunkt än vad som för närvarande är möjligt (ca 24h). Detta skulle kunna möjliggöra en snabbare handläggningstid och därmed hjälpa till att rädda liv, menar professor Omai Garner, UCLA.

Läs mer här

Prenumerera på BioStocks nyhetsbrev