利用激光快速诊断疟疾的新方法

疟疾寄生虫产生的磁性副产品为诊断提供了一种独特的光学解决方案——一种廉价、便携、坚固、简单到任何人都可以使用的解决方案
       虽然美国在1951年就根除了疟疾，但世界卫生组织估计，2017年仍有2.19亿人感染这种致命疾病，其中大部分在非洲。疟疾通过携带疟原虫的受感染蚊子传播，引起头痛、发烧和发冷等流感样症状，但如果不迅速诊断和治疗，可迅速发展为器官衰竭和死亡。 多年来，光学显微镜一直是诊断疟疾的黄金标准，但它需要一位受过医学训练的显微镜专家来解释幻灯片上的涂片。在资源贫乏的环境中，这种诊断的准确度并不稳定，这取决于设备的质量和临床医生的经验。目前的诊断方法也很难检测出低水平的寄生虫血症，这意味着它们无法在早期检测到寄生虫血症，而早期的治疗干预是最有效的。
       卫生官员们认为，需要一种快速、廉价且易于使用的诊断测试来帮助对抗这种疾病。 Andrea Armani是一位在物理学、生物学和化学工程领域均有研究的学者，可能正是接受这项任务的合适人选。研究了这个全球健康问题后，她组建了一支跨学科研究团队，该团队由博士、博士后、本科生甚至少量的高中生组成。他们想出一种诊断方法,可以准确地识别早期寄生虫血症，装备简单、轻便、快速、易于维护、易于使用且价格便宜便宜。
       他们研究了疟疾，了解到非洲最流行的疟原虫疟原虫能产生一种叫做疟原虫色素的晶体结构，这是疟原虫在生长周期中形成的副产品。血凝素不透明，双折射，高磁性。而血液中没有其他东西是有磁性的，甚至连铁都没有。如果有磁性那么厨房里的磁铁会对血凝块构成严重威胁。
       Armani认为可以利用这种磁性进行简单的光学诊断，于是团队开始工作。“我们想设计一个可以放在背包里随身携带的系统，”南加利福尼亚大学工程与材料科学教授Armani说。 处理疟疾感染血液的研究小组在他们的研究中使用了一种β血色素来模仿疟原虫色素。与恶性疟原虫产生的疟原虫一样，具有晶体结构、磁性和类似的光学性质。但与恶性疟原虫不同的是，它对人类来说并不致命。 该团队必须跨越的第一个障碍是解决血液样本建立“健康”的标准。对于光谱学来说，血液是一个具有挑战性的环境，因为它含有大量的成分，包括血小板、红细胞、白细胞和血浆，而血浆本身含有蛋白质、营养物质、激素和废物。这些特性对每个人来说都是独一无二的，甚至在一个人体内，这些特性也会随着一天的时间和他吃了什么而改变。他们意识到，这个答案是一个系统可以自我参照它所测试的样本的正常值。 在解决了这个基本的设计问题，并考虑到血凝素的吸引力之后，这个由研究生Samantha McBirney领导的团队很快就有了想法。一束低功率激光穿过一个装有血样的试管，然后一个探测器测量通过血样的光量。然后，在试管旁边翻转一块磁铁，使所有磁性的凝血酶晶体吸附在上面，为激光第二次通过样品建立正常的路径。这两个测量值之间的信号差异表明存在疟原虫即患者患有疟疾。该装置可以在一分钟内进行三次测量，满足了测试速度的要求。 “在三个样本中，如果结果在误差范围内，那么你可以对结果有信心。” Armani说。
       解决成本需求和满足速度需求一样简单。Armani认为，这些部件没什么特别的，只是一个激光器、一个试管、一个探测器和一块磁铁。虽然她的原型使用的是价格低廉的ThorLabs光电二极管功率传感器和紧凑型激光二极管，但她表示，用更便宜、更容易获得的组件也能获得同样的效果。 Armani表示：“美国各地都有高中生建立了自己的这样的系统，作为他们高中毕业项目的一部分。他们没有使用探测器，而是用手机作为探测器，只是一个激光笔。这真的是一个非常简单的系统。”需要的磁铁也很容易获得，冰箱磁铁就足够了。
       该团队通过使用3D打印机来创建平台和组件基础，从而解决了“轻量级和坚固性”的挑战。这种方法也使该装置非常容易组装。可以清楚的知道每个组件应该装在何处，一旦装配起来就能完美贴合。整个装置只有10磅重。
       至于易用性，该小组仍在努力改进该设备。Armani的目标是将血液的样本容量从400µL减少到 200µL，只需要一到两滴，可以通过手指戳破代替抽血。 为了实现这个目标，Armani的团队正在考虑他们的选择。他们面临的一个障碍是，试管需要完全填满，以便获得通过它的信号的路径长度。然而，可能用一半的血液就可以做出准确的诊断，因为可以将血液稀释以填满试管。 为了能够识别早期疟疾在血液样本，需要能够再每微升的血液中检测到50到100个寄生虫。Armani的设备对未稀释的样本每微升可以检测到只有26个寄生虫，所以即使他们将样品稀释50%，敏感性仍再疾病的预测范围内。
       使该测试更易于使用的下一步是改进临床医生的读数。现在，系统生成的图形必须由知道它们含义的人来解释。为了更容易地解释结果，阿玛尼希望看到一个彩色编码的输出，让诊所能够可靠、快速地做出决定。
       Armani的团队将继续完善这个工具，这个轻量级的、坚固的、便宜的、功能性的工具的未来是不确定的。她指出，医疗设备公司对在低资源环境下进行临床应用不感兴趣，因为没有真正的利润可赚。然而，她认为这个工具在人们进行疟疾研究的实验室里是有用的。她的团队目前正在与传统显微镜涂片进行比较研究，以收集支持该潜在市场的数据。
       无论这个疟疾诊断仪器是否能进入商业市场，Armani都很高兴，因为她的实验室成员有机会利用他们多样的技术技能，为一个实际的、现实世界的问题设计一个新的解决方案。

图：疟疾诊断的装置用一个简单的激光二极管、一个磁铁和一个光电探测器实现。底座和盒子是3D打印的，所有组件都有固定的对齐方式，无需繁琐的调整。