Optofluidic Microscope : กล้องจุลทรรศน์ขนาดจิ๋วที่ไม่ต้องใช้เลนส์

ที่มา เวบไซต์ physorg.com
5 ธันวาคม 2552

นักวิจัยจาก California Institute of Technology ได้แปรเปลี่ยนนวนิยายวิทยาศาสตร์ให้เป็นความจริงแล้ว โดยสามารถพัฒนากล้องจุลทรรศน์ขนาดจิ๋วเท่าปลายนิ้ว โดยตั้งชื่อว่า 'microscopic microscope' เป็นอุปกรณ์ที่ทำงานได้โดยไม่ต้องใช้เลนส์ แต่มีกำลังขยายสูงเทียบเท่ากล้องจุลทรรศน์ชั้นนำ สามารถนำไปใช้ภาคสนามเพื่อตรวจหาเชื้อมาลาเรียในตัวอย่างเลือด หรือ ตรวจหา Giardia ในน้ำ หรือ จุลชีพก่อโรคอื่นๆ และยังสามารถผลิตได้ปริมาณมากๆ ในราคาเพียง 10 $ เท่านั้น

Researchers at the California Institute of Technology have turned science fiction into reality with their development of a super-compact high-resolution microscope, small enough to fit on a finger tip. This "microscopic microscope" operates without lenses but has the magnifying power of a top-quality optical microscope, can be used in the field to analyze blood samples for malaria or check water supplies for giardia and other pathogens, and can be mass-produced for around $10.

"The whole thing is truly compact--it could be put in a cell phone--and it can use just sunlight for illumination, which makes it very appealing for Third-World applications," says Changhuei Yang, assistant professor of electrical engineering and bioengineering at Caltech, who developed the device, dubbed an optofluidic microscope, along with his colleagues at Caltech.

The new instrument combines traditional computer-chip technology with microfluidics--the channeling of fluid flow at incredibly small scales. An entire optofluidic microscope chip is about the size of a quarter, although the part of the device that images objects is only the size of Washington's nose on that quarter.

"Our research is motivated by the fact that microscopes have been around since the 16th century, and yet their basic design has undergone very little change and has proven prohibitively expensive to miniaturize. Our new design operates on a different principle and allows us to do away with lenses and bulky optical elements," says Yang.

The fabrication of the microscopic chip is disarmingly simple. A layer of metal is coated onto a grid of charge-coupled device (CCD) sensor (the same sensors that are used in digital cameras). Then, a line of tiny holes, less than one-millionth of a meter in diameter, is punched into the metal, spaced five micrometers apart. Each hole corresponds to one pixel on the sensor array. A microfluidic channel, through which the liquid containing the sample to be analyzed will flow, is added on top of the metal and sensor array. The entire chip is illuminated from above; sunlight is sufficient.

When the sample is added, it flows--either by the simple force of gravity or drawn by an electric charge--horizontally across the line of holes in the metal. As cells or small organisms cross over the holes, one hole after another, the objects block the passage of light from above onto the sensor below. This produces a series of images, consisting of light and shadow, akin to the output of a pinhole camera.

Yang is now in discussion with biotech companies to mass-produce the chip. The platform into which the chip is integrated can vary depending upon the needs of the user. For example, health workers in rural areas could carry cheap, compact models to test individuals for malaria, and disposable versions could be carried into the battlefield. "We could build hundreds or thousands of optofluidic microscopes onto a single chip, which would allow many organisms to be imaged and analyzed at once," says Xiquan Cui, the lead graduate student on the project.

'Dipstick' test สำหรับตรวจหายาฆ่าแมลงที่ปนเปื้อนในอาหาร

ที่มา เวบไซต์ วารสาร Analytical Chemistry และ Labmedica
29 พฤศจิกายน 2552

นักวิจัยจาก McMaster University (Hamilton, ON, USA) ได้พัฒนาวิธีการตรวจหา acetylcholinesterase (AChE) inhibitors, whรวมถึงยาฆ่าแมลงกลุ่ม organophosphate โดยใช้ reagent-less, bioactive paper-based solid-phase biosensor

เขาใช้แผ่นกระดาษ strip ซึ่งมี AChE และ indophenyl acetate (IPA) ซึ่งเป็น chromogenic substrate เกาะติดอยู่กับ biocompatible sol-gel derived silica inks ในสอง zone เรียกว่า sensing และ substate zone ตามลำดับ

วิธีการตรวจเริ่มจากการใส่สารตัวอย่างลงไปที่ sensing zone ก่อน โดยใช้หลักการเคลื่อนของสารละลายตัวอย่างแบบ lateral หลังจากผ่านช่วง incubate แล้ว จึงวางแผ่นกระดาษ stip อีกด้านหนึ่งลงใน deionized distilled water เพื่อให้เกิดการเคลื่อนแบบ lateral ในปลายอีกด้านหนึ่ง เพื่อให้ paper bound-IPA สามารถเคลื่อนไปที่ sensing area ได้ เมื่อพบกับเอนไซม์ก็เกิดปฏิกิริยาเร่งการสลาย substrate ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของสีจากเหลือง เป็น น้ำเงิน ดังภาพ

(a) Schematic diagram of the detection principle of the indophenyl acetate (IPA)-based colorimetric assay. Acetylcholinesterase (AChE) hydrolyzes the red-yellow colored substrate IPA under slightly basic conditions (pH 8.0) and forms indophenoxide anion, which is blue-purple in color.

(b) Schematic illustration for the development of the reagentless bioactive paper-based lateral flow sensor in which AChE and IPA were entrapped in the two dashed box regions on a Whatman #1 paper strip (1 × 10 cm) following the sequences of PVAm/silica/AChE/silica and silica/IPA/silica, respectively, by the use of either inkjet printing or over spotting. The sensor can be used two different ways: (1) directly (normal lateral flow-based assay) without incubating the contaminated sample and (2) inverted lateral flow-based assay with incubation of the sample.

วิธีการนี้ สามารถตรวจพบยาฆ่าแมลงในปริมาณน้อยมาก เช่น bendiocarb 1 nM; carbaryl 10 nM; paraoxon 1 nM; malathion 10 nM เป็นต้น ภายในเวลาเพียง 5 นาที ผลที่ได้มีความสัมพันธ์อย่างดีกับการตรวจหาสารนี้ โดยวิธีที่ใช้ด้วยหลักการ Mass spectrophotometric ดังนั้น การตรวจโดยใช้วิธี Bioactive paper นี้ จึงน่าจะเหมาะสมสำหรับใช้คัดกรองสารพิษเหล่านี้ สำหรับงานภาคสนามในอนาคตได้

(a) Effects of cationic PVAm on entrapment of indophenoxide anion in a lateral flow-based paper sensor system. Color intensity (CI) due to elution of IPA (3 mM, final concentration) in the lateral flow-based platform. The areas within the dashed boxes were printed/over spotted without (control) and with PVAm (0.5 wt. %) followed by printing/overspotting of AChE (500 U/mL). PVAm concentrates the reaction product, the blue indophenoxide anion, while in the control experiment; the blue indophenoxide anion is dispersed over a large area.

(b) Proof of concept for the development of the reagentless bioactive paper-based lateral flow platform, in which the sensor was dipped into ddH2O to move the IPA reagent into the sensing region for the generation of the blue color.

เอกสารอ้างอิง

S. M. Zakir Hossain, Roger E. Luckham, Meghan J. McFadden and John D. Brennan. Reagentless Bidirectional Lateral Flow Bioactive Paper Sensors for Detection of Pesticides in Beverage and Food Samples. Anal. Chem., 2009, 81 (21), pp 9055–9064

PSA test ไม่ใช่ตัวชี้บ่งมะเร็งต่อมลูกหมากเสมอไป

ภาพแสดงกลุ่ม prostate cancer cells

สีน้ำเงินแกมเขียวเป็นเซลล์ที่ยัง active อยู่

ส่วนสีชมพูเป็นเซลล์ที่เริ่มตายโดยกระบวนการ apoptosis

เนื้อข่าวจาก เวบไซต์ esciencenews
ภาพจาก เวบไซต์ wellcome.ac.uk
8 พฤศจิกายน 2552

นักวิจัยจาก Wake Forest University, School of Medicine และ University of Wisconsin-Madison ได้ค้นพบว่า การเพิ่มขึ้นของระดับ prostate-specific antigen (PSA) ในผู้ชาย บางครั้งอาจเกิดขึ้นได้จากฮอร์โมนในร่างกายเอง โดยไม่เกี่ยวพันกับการบ่งชี้ว่า บุคคลนั้นน่าจะต้องมีการทำ prostate biopsy

เป็นธรรมเนียมปฎิบัติกันมายาวนาน ที่เชื่อว่าการเพิ่มขึ้นของระดับ PSA เป็นสัญญานบ่งชี้แนวโน้มการเกิดมะเร็งต่อมลูกหมาก และมีผลทำให้การตรวจหาระดับ PSA ถูกใช้กันอย่างกว้างขวางในวงการแพทย์ อย่างไรก็ดี นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบว่า Parathyroid hormone ซึ่งเป็นสารที่ร่างกายสร้างขึ้นเพื่อควบคุมระดับแคลเซียมในกระแสเลือด ก็สามารถเพิ่มปริมาณ PSA ในผู้ชายปกติได้ แม้ไม่ได้เป็นมะเร็งต่อมลูกหมาก การเพิ่มขึ้นของระดับ 'non-cancer' PSA นี้ อาจมีผลให้ชายหนุ่มจำนวนมาก ถูกทำ biopsy โดยไม่จำเป็น และนำไปสู่การให้การรักษาที่ไม่จำเป็นด้วย

Dr.Gary G. Schwartz จาก Cancer biology and epidemiology and prevention, School of Medicine กล่าว่า 'PSA เกี่ยวข้องกับ prostate ในทุกเรื่อง ไม่เฉพาะการก่อมะเร็ง การอักเสบหรือปัจจัยอื่นๆ ก็ทำให้ระดับ PSA สูงขึ้นได้ ปัญหาคือ เมื่อผู้ชายอายุมากขึ้น จะมีการพัฒนามะเร็งของต่อมลูกหมากในระดับ microscopic อยู่แล้ว ซึ่งไม่มีนัยสำคัญในทางคลินิก และถ้าไม่ได้มีการทำ biopsy จะไม่เคยตรวจพบเลยว่า คนเหล่านี้มี insignificant cancers นี้อยู่ และเซลล์เหล่านี้จะไม่พัฒนาต่อไปจนทำให้เกิดการเสียชีวิตจากมะเร็งต่อมลูกหมากได้เลย'

อย่างไรก็ดี เนื่องจากการตรวจคัดกรองโดยใช้ PSA ได้กลายมาเป็นเรื่องที่ทำกันทั่วไป ผู้ชายจำนวนมากจึงต้องถูกส่งไปทำ biopsy และคนส่วนใหญ่ เมื่อทราบว่า ตนเองมีแนวโน้มจะเป็นมะเร็งชนิดนี้ ก็เลือกที่จะให้รีบทำการรักษาไม่ว่าจะเป็นสิ่งจำเป็นหรือไม่ก็ตาม Schwartz กล่าวว่า เพียงหนึ่งในหกรายเท่านั้นที่เสียชีวิต เมื่อผลวินิจฉัยจาก biopsy ว่าเป็น prostate cancer แล้วไม่ทำการรักษา

อัตราการทำ prostate biopsy ที่สูงมาก นำมาซึ่งการเกิดผลข้างเคียงของยาจากการรักษาเพิ่มสูงขึ้น รวมไปถึงการเกิดสภาวะกามตายด้าน (impotence) และ การไหลซึมของปัสสาวะ (urinary incontinence) ที่มากขึ้นด้วย

The study, coauthored by Halcyon G. Skinner, Ph.D., M.P.H., of the University of Wisconsin-Madison, appears in the current issue of Cancer Epidemiology, Biomarkers & Prevention.

For the study, the researchers analyzed data from 1,273 men who participated in the National Health and Nutrition Examination Survey 2005-2006, and who did not report any current infection or inflammation of the prostate gland, prostate biopsy in the past month, or history of prostate cancer at the time of the survey.

After adjusting for age, race and obesity – because PSA levels increase with age, are higher in black men, and are lower in overweight men – the researchers found that the higher the level of parathyroid hormone in the blood, the higher the PSA level. In men whose parathyroid level was at the high end of normal, the PSA level was increased by 43 percent – putting many in the range for the urologist to recommend a biopsy.

The finding is especially significant for black men, added Skinner. About 20 percent of black men have elevated parathyroid hormone levels, compared with about 10 percent of white men – which means blacks have a greater chance of being recommended for biopsy and over treated, he said.

This finding "could help scientists refine the prostate cancer screening test to better differentiate between those men who need to be biopsied and those who might be spared the procedure," Schwartz said. "It's likely that there are a lot of men out there with elevated PSAs that may be due to elevated parathyroid hormone rather than prostate cancer."

Parathyroid hormone is made by cells of the parathyroid glands, four small glands embedded in the thyroid. Although parathyroid hormone primarily controls calcium levels in the blood, recent research has shown that parathyroid hormone can promote prostate cancer cell growth. The research by Schwartz and Skinner is the first to suggest that parathyroid hormone also promotes prostate cell growth in men without prostate cancerใ

10 อันดับแรก ของการประยุกต์ nanotech เพื่อช่วยเหลือคนยากจน

จาก เวบไซต์ science daily
4 พฤศจิกายน 2552

วันใดวันหนึ่งในอนาคต ณ หมู่บ้านชนบทห่างไกลในประเทศกำลังพัฒนา อาจได้เห็นภาพเจ้าหน้าที่สาธารณสุข หยดเลือดคนไข้ลงบนแผนพลาสติกขนาดเท่าเหรียญเงิน แล้วสามารถตรวจวินิจฉัยค่าต่างๆ ที่ทำกันโดยทั่วไปในห้องปฏิบัติการทางการแพทย์ภายในเวลาไม่กี่นาที ซึ่งรวมถึงการวิเคราะห์หาโรคติดเชื้อ อาทิเช่น มาเลเรีย, โรคเอดส์, โรคฮอร์โมนผิดปกติ หรือ แม้แต่โรคมะเร็ง ก็ได้

แผ่นพลาสติกน่าอัศจรรย์ที่ว่านี้ เรียกกันว่า 'lab-on-a-chip' ซึ่งเป็นผลิตผลใหม่ที่กำลังพัฒนา จากการวิจัยด้าน nanotechnology ซึ่งมีแนวโน้มที่จะเปลี่ยนแปลงชีวิตหลายล้านชีวิตในโลกใบนี้ ให้มีความเป็นอยู่ที่ดีขึ้น

ผลการจัดลำดับ 10 สุดยอดการประยุกต์ใช้ nanotechnolgoy เพื่อประโยชน์สุขของประเทศกำลังพัฒนาในด้านน้ำ การเกษตร อาหาร สุขภาพ พลังงานและสิ่งแวดล้อม ในสิบปีข้างหน้า เป็นตังนี้

1. Energy storage, production, and conversion
2. Agricultural productivity enhancement
3. Water treatment and remediation
4. Disease diagnosis and screening
5. Drug delivery systems
6. Food processing and storage
7. Air pollution and remediation
8. Construction
9. Health monitoring
10. Vector and pest detection and control

Pseudomonas aeruginosa สร้างสารปกป้องตนเอง จากการถูกทำลายโดยเม็ดเลือดขาว

จาก เวบไซต์ Science daily
4 พ.ย.52

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัย Copenhagen และ Technical University of Denmark รวมถึงผู้ร่วมงานจากเดนมาร์ก และ อเมริกา ได้ค้นพบว่า จุลินทรีย์ Pseudomonas aeruginsosa สามารถ 'switch on' การสร้างโมเลกุลที่ทำลายเม็ดเลือดขาวได้ ซึ่งมีผลให้แบคทีเรียนี้ไม่ถูกกำจัดโดยระบบภูมิคุ้มกันของร่างกาย

P. aeruginosa is responsible for many hospital-acquired infections and also causes chronic infections in those with pre-existing medical conditions such as cystic fibrosis (CF). The bacteria cause persistent lung infections by clumping together to form a biofilm, which spreads over the lungs like a slime. Such biofilms are generally resistant to antibiotics as well as the host immune response.

The study showed that P. aeruginosa uses a well-studied communication system called quorum sensing (QS) to detect approaching white blood cells and warn other bacteria in the biofilm. In response to this signal, the bacteria increase their production of molecules called rhamnolipids. These molecules sit on the biofilm surface to form a shield that destroys any white blood cells that encounter it. Interrupting quorum sensing to halt the "launch a shield" response could be a way of treating these bacteria that can resist antibiotics as well as the host immune system.

Professor Michael Givskov from the University of Copenhagen who led the study believes there are significant clinical benefits to this research.

"The ultimate goal [of this research] is to eradicate the present day's antibiotic-resistant bacteria that are involved in the bulk of chronic infections," he says. "Antibiotic resistance is one of the most serious emerging health problems in the world today. More than 70% of the disease-causing bacteria are resistant to at least one of the currently available antibiotics. Studying interactions between P. aeruginosa and the innate and adaptive immune response will provide valuable information for the design of novel antimicrobials."

How Bacteria Get Past Our Defenses

โดย Josh Chamot, National Science Foundation
จาก เวบไซต์ livescience
25 ตุลาคม 2552

Mucus is more than gross — it's a critical barrier against disease, trapping many of the germs that want to invade your body. A wet mesh of proteins, antiseptic enzymes and salts, mucus is what keeps all but a few microbes from wreaking havoc on many of our most exposed tissues.

Diagram showing how the bacteria Heliobacter pylori can penetrate the stomach lining. Contact with stomach acid keeps the mucin lining the epithelial cell layer in a spongy gel-like state. This consistency is impermeable to H.pylori. However, the bacterium releases urease which neutralizes the stomach acid. This causes the mucin to liquefy, and the bacterium can swim right through it.

Helicobacter pylori is one of the few. The tiny, corkscrew-shaped microbe bores through the mucus that lines the acidic cauldron of the human stomach, establishing colonies on the cells below.

After invading the stomach lining, H. pylori causes persistent, low-grade irritation that over time can lead to ulcers, and if untreated, to cancer.

Boston University (BU) physicist Rama Bansil — along with students and colleagues from BU, Harvard Medical School and MIT — recently helped discover how H. pylori gets through our defenses. The findings could help us protect against this germ, as well as many others.

For decades, Bansil has been studying the physics of gels, and since 1990, a gel composed primarily of mucin, the glyco-protein (protein and sugar complex) found in mucus.

"The mucins of different organs are similar overall, but they have slightly different structures and properties depending on where they are found in the body," Bansil said. "Some become gel, others don’t. They’re tuned to their function. It’s in fish, it’s in slugs — slugs use it to move.” In fact, all vertebrates produce mucin, and many human diseases involve the material.

Bansil’s studies have become so associated with mucin — particularly of the stomach —some of her colleagues refer to her laboratory as the Snot Research Lab.

"In some ways, I think my getting into stomach research was serendipity," Bansil said. Nearly twenty years ago, colleagues approached her looking for a gel expert, an addition to an interdisciplinary team for studying the mucus in our digestive system.

As the researchers started delving deeper into the research problems, they realized that they needed more collaborators and techniques to help find answers.

"You can’t just work with crude mucus," Bansil said. "For stomach mucus, purifying it to obtain the active ingredient, the mucin, is a laborious task. That may be why there are very few groups studying the biophysics of mucin. Protein chemistry is a huge field, but the study of mucin itself is not as advanced — it’s a very complicated protein." In fact, many of the leading studies on mucin were conducted abroad in Europe.

"Originally, our team was just a few collaborators at the BU school of medicine," said Bansil. The medical part of the group later moved to Harvard Medical School, and now the team also includes researchers at MIT. (The full team is listed in a recent press release).

"I would tell colleagues that we were looking at this interesting problem and I was giving a lot of talks about why the stomach doesn’t digest itself, and this helped recruit colleagues. The first person I cornered was the person in the lab next to me; we collaborated on atomic force microscopy."

The microscopy allowed the research team to see mucus up close, and revealed the structure of single mucin molecules.

After several years of working out the basic physical properties of mucin and how those proteins protect against acid in the stomach, the research team wanted to pursue mucin’s relationships to disease.

It was in 1993 — when Bansil came across an article in the New Yorker on the link between H. pylori and ulcers — that she decided to tackle the mystery of how H. pylori travels through stomach mucus. However, it took more than ten years before the researchers actually started working with bacteria.

H. pylori has been a popular subject for study in recent years, particularly following the research of pathologist Robin Warren and clinical researcher Barry Marshall, both of Perth, Western Australia, in the early 1980s. Warren and Marshall definitively linked the bacteria to the stomach, and to ulcers, overturning the persistent belief that bacteria could not thrive in such an acidic environment. Ultimately, the two researchers won the 2005 Nobel Prize in Medicine for their efforts.

Many researchers have further studied H. pylori, learning more about its structure, how it thrives, and even how it fends off stomach acid. Yet, until now no one had explored how it traveled through the sticky gels of stomach mucus.

Conventional wisdom held that corkscrew-shaped H. pylori relies on its shape to twist and bore its way through mucus.

Instead, as part of the thesis of BU doctoral student Jonathan Celli, the researchers found that the bacteria swim in a manner more like other bacteria with whip-like tails, H. pylori just changes its environment to make movement possible.

"We figured out that that it doesn’t move like a corkscrew — everyone thought it did...and the same biochemistry that it uses for survival makes it possible for it to move," explained Bansil. "These two functions are inextricably coupled. It’s chemically affecting its environment, and then it basically acts like a snowplow, moving by altering its surroundings."

H. pylori secretes the enzyme urease, which interacts with urea in the stomach to produce ammonia — the ammonia is what neutralizes the acids in the immediate environment. The less-acidic environment de-gels the mucin, allowing the microbe to travel through it using standard, flagella-based locomotion, much like other swimming bacteria.

To confirm their findings, the researchers placed H. pylori into an acidic mucin gel in a laboratory setting. While its flagella moved, the organism could not. After the microbes secreted urease and acidity diminished, the microbes were able to forge through the gel.

Bansil and her colleagues next want to understand the progress of H. pylori-related diseases, particularly in the context of living hosts. The team is planning to work on new imaging techniques that may reveal even greater detail about the organisms and how they inflict damage on the human body.

Jonathan Celli, supported by an NSF GK-12 fellowship, was lead author on the H. pylori findings published in the Proceedings of the National Academy of Sciences on Aug. 11, 2009.

Bigger Creatures Have Bigger Blood Cells

จาก เวบไซต์ livescience
โดย Lindsey Konkel, Natural History Magazine
25 ตุลาคม 2552

When it comes to metabolism, size matters—cell size, that is, according to a recent study.

Small animals have faster metabolisms relative to their body size than do large animals. According to the so-called metabolic theory of ecology, that scaling is responsible for many patterns in nature—from the average lifespan of a single species to the population dynamics of an entire ecosystem. Although scientists generally agree on the theory's fundamentals, they disagree on the reasons for the scaling. One camp thinks metabolic rate is driven by cell size; another thinks it corresponds to the size and geometry of physiological supply networks, such as the circulatory system.

The "cell-size" camp points out that small cells are more energetically demanding because they have a larger ratio of surface area to volume than big cells do, enabling them to exchange disproportionately more gas and nutrients. But, with the exception of one study on ants, evidence for small animals actually possessing small cells and correspondingly high metabolisms has been surprisingly lacking—until now.

With four colleagues, Zuzana Starostová, at the time a graduate student at Charles University in Prague, measured the size of red blood cells (a proxy for average cell size) and resting metabolic rate in fourteen species of eyelid geckos. The lizards are morphologically similar, but vary greatly in size: the largest, at a quarter pound, weighs thirty-three times as much as the smallest.

Sure enough, the team found that the larger geckos had bigger red blood cells and a lower metabolic rate relative to body size than small geckos did. Their work supports the idea that cell size helps determine metabolic rate—which, in turn, underlies much of life’s patterning.

The findings were detailed in the American Naturalist.

(ภาพข้างบนแสดง eyelid geckos ขนาดใหญ่สุดและเล็กสุด
creditภาพ : Zuzana Starostová & Lukáš Kratochvíl)