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Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 2722 (2023) Citare questo articolo

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Gran parte della nostra comprensione dello sviluppo, della struttura e della funzione delle cellule e dei tessuti deriva dalla microscopia a fluorescenza. L'acquisizione di immagini colorate e luminose coinvolge ed entusiasma gli utenti, dai microscopisti esperti agli studenti STEM. I microscopi a fluorescenza variano nel costo da diverse migliaia a diverse centinaia di migliaia di dollari USA. Pertanto, l’uso della microscopia a fluorescenza è tipicamente limitato a istituzioni ben finanziate e aziende biotecnologiche, strutture di ricerca e laboratori medici, ma è finanziariamente poco pratico in molte università e college, scuole primarie e secondarie (K-12) e nel campo scientifico. impostazioni di sensibilizzazione. In questo studio, abbiamo sviluppato e caratterizzato componenti che, se utilizzati in combinazione con uno smartphone o un tablet, eseguono la microscopia a fluorescenza a un costo inferiore a 50 dollari USA per unità. Abbiamo riproposto torce LED ricreative e filtri di illuminazione del palcoscenico teatrale per consentire la visualizzazione di fluorofori verdi e rossi tra cui EGFP, DsRed, mRFP e mCherry su un telaio semplice da costruire in legno e plexiglass. Questi dispositivi, che chiamiamo Glowscope, erano in grado di raggiungere una risoluzione di 10 µm, di acquisire immagini di fluorescenza in campioni vivi ed erano compatibili con tutti i modelli di smartphone e tablet che abbiamo testato. Rispetto ai microscopi a fluorescenza di livello scientifico, i Glowscope possono avere limitazioni alla sensibilità necessaria per rilevare la debole fluorescenza e l'incapacità di risolvere le strutture subcellulari. Dimostriamo la capacità di visualizzare la fluorescenza all'interno degli embrioni di pesce zebra, inclusa la frequenza cardiaca, la ritmicità e l'anatomia regionale del sistema nervoso centrale. Dato il basso costo delle singole unità Glowscope, prevediamo che questo dispositivo possa aiutare a dotare le classi K-12, universitari e di divulgazione scientifica di flotte di microscopi a fluorescenza che possono coinvolgere gli studenti con attività di apprendimento pratico.

I progressi nella tecnologia delle fotocamere per smartphone e tablet hanno messo potenti fotocamere nelle mani di scienziati, educatori e studenti. La risoluzione e la sensibilità delle moderne fotocamere di smartphone e tablet superano le capacità di molte fotocamere scientifiche ancora utilizzate per applicazioni di ricerca. Con miglioramenti annuali alla sensibilità della fotocamera degli smartphone, al pixel binning, alla risoluzione e alle funzionalità del frame rate video, stiamo entrando in un’era in cui questi dispositivi possono eseguire acquisizioni di immagini e video di alta qualità per l’istruzione e la ricerca scientifica. Di conseguenza, sono stati sviluppati prodotti per montare gli smartphone sugli oculari del microscopio per l'acquisizione di immagini. Inoltre, sono stati sviluppati progetti autonomi di "microscopi per smartphone" da utilizzare in contesti di istruzione scientifica primaria e secondaria e universitari1,2,3,4,5,6, in contesti clinici o di ricerca7,8,9,10,11 e in applicazioni di geoscienza12 .

La microscopia a fluorescenza produce immagini visivamente attraenti che possono migliorare notevolmente il contrasto delle caratteristiche specifiche del campione visualizzato. Questa modalità di imaging microscopico ha storicamente coinvolto lampade ad arco o laser al mercurio, costose e ingombranti. Tuttavia, negli ultimi anni, la tecnologia a diodi a emissione laser (LED) relativamente economica e compatta sta sostituendo le lampade ad arco di mercurio e i laser nel settore della microscopia. I vantaggi includono costi inferiori, maggiore longevità e funzionamento esente da manutenzione. Poiché i LED sono stati progettati per emettere luce praticamente di qualsiasi lunghezza d'onda nello spettro della luce visibile e possono essere filtrati se necessario, la comunità della microscopia sta adottando ampiamente l'uso dei LED come sorgente luminosa di eccitazione per la microscopia a fluorescenza.

In questo studio, miravamo a sviluppare una configurazione di imaging a fluorescenza per smartphone con un prezzo di costruzione target inferiore a $ 50 (dollari USA) per unità. Dimostriamo la capacità di questi dispositivi, che chiamiamo "glowscopes", di rilevare fluorofori verdi e rossi e di monitorare e rilevare cambiamenti nella frequenza cardiaca e nella ritmicità nel pesce zebra embrionale. Discutiamo e dimostriamo le opportunità per gli insegnanti universitari e K12 di utilizzare queste risorse per soddisfare gli standard scientifici locali e di prossima generazione.