发明1美元显微镜、20美分离心机后,他又一次拯救了贫穷实验室

图片来源:Prakash Lab


继发明 1 美元的折叠显微镜、20 美分的纸质离心机、10 美元的寄生虫检测贴片后,这位提倡“节俭科学”的印度裔生物物理学家 Manu Prakash 开始对人工智能下手了。他和同事们最近开发了一种新的扫描显微镜 Octopi,比传统显微镜分析速度快 120 倍。


撰文 | 鲁婧涵

编辑 | 魏潇

来源 | 科研圈(ID:keyanquan)


在世界上疟疾病例最多的国家乌干达,很多医护人员需要承担几乎无止境的疟疾检测工作。


这项工作是耗时费力的。首先,技术人员将血样涂在载玻片上,进行染色处理,然后通过显微镜慢慢识别含有疟原虫的细胞,之后用手持记录仪记录一共观察到了多少只寄生虫。这项过程通常需要耗费 30 分钟到一个小时。在疟疾肆掠的乌干达,一个健康中心一天可能要接待几十个病人,医学检验人员不得不连续十几个小时盯着显微镜,并且一刻都不能分心。


Manu Prakash 发现了这个问题。这位出生于印度,在斯坦福大学任教的生物物理学家,以为贫困地区发明廉价科学设备而知名。不过这次他意识到,仅有廉价是不够的,他发明的设备还需要足够的快。



比人快 120 倍


Manu Prakash 和他的同事 Hongquan Li 发明了一款能让使用者自行组装的疟疾快速检测显微镜——“Octopi”。Octopi 包含一个人工智能识别系统,拥有一个被两万多张包含疟原虫图像训练过的神经网络。目前,Octopi 可以自动扫描含有疟原虫的血液涂片。


结合自动玻片扫描和图像处理,Octopi 每分钟可筛查超过 150 万个感染红细胞,比人工传统显微镜的分析速度快 120 倍它的 DIY 成本在 250 美元到 500 美元之间,比许多扫描显微镜和基本的自动玻片分析设备都要便宜。此外,Octopi 拥有优秀的便携性,重量不到 3 公斤,还可以通过手机充电器充电。


Octopi 组装分解图(来源:biorxiv 论文)


与传统显微镜不同,Octopi 没有目镜,它用磁力将其独立的照明、扫描和处理单元连接在一起。由于 Octopi 可组装的特性,技术人员可以在低放大率和高放大率两个模式之间自由切换,前者可以有效地在玻片上找到寄生虫,后者可以更灵敏地在热点区域内计数。这项计数功能还解决了现有疟原虫快速检测方法中不能计算寄生虫的数量的难题。因为计算寄生虫数量对于判断患者的感染程度并选择治疗方法十分重要。


Octopi 还可以在不同类型的成像之间进行切换,从基本成像(明场成像下的玻片),到更复杂的成像(荧光染色处理后的玻片)。对于疟疾来说,后者至关重要,因为发明人之一 Hongquan Li 发现荧光染色后疟原虫的颜色(蓝绿色)与周围血细胞的颜色(蓝色)差异很小——人类肉眼分辨有一定困难,但对 Octopi 来说却是显而易见的。起初,“我们以为 Octopi 认错了,” Manu Prakash 说,“但是寄生虫发出的荧光确实和血细胞不同。”


Octopi 项目公开后在网上广受好评,相关论文也已在预印本平台 biorxiv 发布。目前 Prakash 正在将该设备引入秘鲁、乌干达和印度的临床试验。“疟疾诊断是费时的,”西班牙 IPBLN-CSIC 的疟疾研究员 Elena Gomez-Diaz 评价,“这项设备以可承受的成本,使整个过程自动化。”


Prakash 做这项发明的目的并不是取代技术人员,而是想让他们工作得更加轻松。由于 Octopi 的可组装性,它可以很容易地通过重新配置来检测其他疾病。目前,Prakash 的团队已使用 Octopi 来研究引起肺结核和肺炎的细菌,以及引发昏睡病和利什曼病的寄生虫。


为了能让更多人学会组装 Octopi,团队免费提供了组装说明和代码,前提是利用 Octopi 收集的所有数据都必须公开,来实现这一装置的普及。


Prakash 设想了这样一个未来:世界各地的卫生工作者利用廉价的自动化显微镜通过网络在线诊断传染病,然后通过 Octopi 社区收集的数据不断改进现有的识别算法。


“如果你喜欢机器人、生物学,并想解决这些方面的问题,就要将这些问题综合起来考虑!”他在 Twitter 上说,“自己动手做工具吧,这样就能将它们应用到你关心的问题上。”



节俭“黑科技”


Octopi 并不是 Prakash 发明的第一款显微镜。此前,只要一美元的纸质显微镜“Foldscope”的发明让他得以闻名。


使用者手持Foldscope(来源:www.foldscope.com)


Foldscope 是通过一系列折纸式折叠单元组成的一张书签大小的手持显微镜。它的镜头是位于纸张中心的塑料小圆片,它能提供 140 倍的放大倍率。Prakash 还为该套件提供了一个放大倍率更高的替换镜头和一组粘贴式磁铁,可将 Foldscope 连接到智能手机,以便用手机摄像头轻松记录样品图像。


此外,Prakash 还发明了一系列的“黑科技”。比如 20 美分的“纸片离心机”(Paperfuge)。这种人工离心机仅由纸片、绳子、塑料组成,能在一分半钟的时间内将血液根据成分离心分层,转速能达到每分钟 125000 转。


纸片离心机(来源:Stanford University 官网)


此外,还有售价 10 美元、可以检测使用者是否感染寄生虫的皮肤贴片(skin patch)——这是一种电磁贴片,可以非侵入性地检测受感染患者体内的活寄生虫。比如,导致盘尾丝虫病或“河盲症”的寄生虫。目前“河盲症”的诊断方法需要使用昂贵的超声设备来确定寄生虫是否在皮肤或淋巴结内存活,而皮肤贴片只需要一个创可贴大小的贴片内置传感器:当蠕虫在皮肤下蠕动或形成钙化囊肿时,传感器可以检测微小的电变化。


在这众多“黑科技”发明的背后是 Prakash 对能普遍适用的“节俭科学”的拥护。“节俭科学”致力于创造低成本、易于使用的工具,主要解决在发展中国家存在的资源不足问题。


“可操作性是科学面临的一个挑战。所以我问自己:怎样才能让尽可能广泛的人群更好地获得真正的科学支持?我们试图制造成本更低的工具,并且它们在功能上仍然能与其他同类科学仪器竞争。” Prakash 说。


Octopi 的命名就强调了节俭的重要性。这个名字代表着“开放的、可配置的、高吞吐量的传染病平台”。像章鱼(octopus)一样,这款显微镜十分万能,可能你会说这个以“pi”结尾的单词是“octopus”的复数形式没拼对,但它是对“节俭科学”倡议者 Raspberry pi 的一种致敬——一种只有信用卡大小且成本只有 5 美元的单板计算机



源于生活,用于生活


“节俭科学”的想法是很美好的。但这些低成本科研工具的成功最终还是取决于用户如何使用它。很多节俭科学工具的发明者在贯彻“节俭原则”的过程中发现,有时他们很难预测在一个相对不那么发达的社会中可能出现的问题。比如,曾有一项微流体技术的测试环境是为美国有空调的实验室设计的,但实施该测试的印度实验室却只有吊扇,发明团队不得不更改它的保护性包装。


因此,因地制宜、将一项经过实验室验证的发明转化为能被当地人使用的实用工具至关重要。Prakash 认为,应该培养工具使用者的主观能动性。这也是他设计的工具都是模块化、可组装的原因,“你可以把它拆开,然后把它按照自己的想法组装起来,这一点非常重要”。


Foldscope 证明了这一点。Prakash 目前已经向 130 个国家提供了近 8 万台这种折叠式显微镜,并发现了很多没有预料到的用途,“尼日利亚的一个孩子使用 Foldscope 来检测假币,印度的农民使用它来识别植物中的病原体来帮助自己及时清除患病作物。”


“你无法控制使用者的创意。” Prakash 说,“我们不做导师,生活才是他们的导师。”


论文原文:

https://www.biorxiv.org/content/biorxiv/early/2019/06/27/684423.full.pdf


参考链接:

https://www.theatlantic.com/science/archive/2019/08/cheap-automatic-microscope-could-change-how-diseases-are-detected/596440/

https://www.hhmi.org/stories/qa-manu-prakash-philosophy-frugal-science

https://www.newyorker.com/magazine/2015/12/21/through-the-looking-glass-annals-of-science-carolyn-kormann

https://engineering.stanford.edu/magazine/article/stanford-bioengineer-developing-skin-patch-test-worms

https://techxplore.com/news/2017-01-whirligig-toy-bioengineers-cent-hand-powered.html


本文转载自公众号“科研圈”(ID:keyanquan)


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