低い - オーシャニックブルーグループ株式会社

Scientific Reports volume 13、記事番号: 2722 (2023) この記事を引用

32,000 アクセス

401 オルトメトリック

メトリクスの詳細

細胞や組織の発生、構造、機能に関する理解の多くは、蛍光顕微鏡検査に基づいています。カラフルで輝く画像の取得は、熟練した顕微鏡技師から STEM の学生まで、さまざまなユーザーを魅了し、興奮させます。蛍光顕微鏡の価格は数千米ドルから数十万米ドルです。したがって、蛍光顕微鏡の使用は通常、資金が潤沢な機関やバイオテクノロジー企業、研究の中核施設、医療研究所に限定されていますが、多くの大学、単科大学、初等中等学校（K-12）、科学分野では財政的に非現実的です。アウトリーチ設定。この研究では、スマートフォンまたはタブレットと組み合わせて使用すると、1 台あたり 50 米ドル未満のコストで蛍光顕微鏡検査を実行できるコンポーネントを開発し、特性評価しました。私たちはレクリエーション用 LED 懐中電灯と劇場舞台照明フィルターを再利用して、EGFP、DsRed、mRFP、mCherry などの緑と赤の蛍光色素を、木製とプレキシガラスで作られた簡単に組み立てられるフレーム上で観察できるようにしました。私たちがグロースコープと呼ぶこれらのデバイスは、10 µm の解像度で生きた標本の蛍光を画像化することができ、テストしたすべてのスマートフォンおよびタブレットのモデルと互換性がありました。科学グレードの蛍光顕微鏡と比較すると、グロースコープは、薄暗い蛍光を検出するために必要な感度に制限があり、細胞内構造を分解できない可能性があります。私たちは、心拍数、リズム性、中枢神経系の局所的な解剖学的構造など、ゼブラフィッシュ胚内の蛍光を観察する機能を実証します。個々のグロースコープユニットのコストが低いため、このデバイスは、幼稚園から高校まで、学部、および科学支援教室に、学生が実践的な学習活動に参加できる蛍光顕微鏡群を装備するのに役立つと予想されます。

スマートフォンやタブレットのカメラ技術の進歩により、強力なカメラが科学者、教育者、学生の手に渡るようになりました。最新のスマートフォンやタブレットのカメラの解像度と感度は、現在も研究用途に使用されている多くの科学用カメラの能力を上回っています。スマートフォンのカメラ感度、ピクセルビニングと解像度、ビデオフレームレート機能が毎年向上しており、これらのデバイスが科学教育や研究のために高品質の画像やビデオを取得できる時代に入りつつあります。そこで、スマートフォンを顕微鏡の接眼レンズに取り付けて画像を取得する製品が開発されました。さらに、スタンドアロンの「スマートフォン顕微鏡」設計は、幼稚園から高校までおよび学部の科学教育現場 1、2、3、4、5、6、研究または臨床現場 7、8、9、10、11、および地球科学アプリケーション 12 で使用するために開発されています。。

蛍光顕微鏡法は、観察している標本の特定の特徴のコントラストを大幅に高めることができる視覚的に魅力的な画像を生成します。この顕微鏡イメージング手法には、歴史的に、高価で扱いにくい水銀アークランプまたはレーザーが必要でした。しかし、近年、顕微鏡業界では、比較的安価でコンパクトなレーザー発光ダイオード (LED) 技術が水銀アークランプやレーザーに取って代わりつつあります。利点としては、低コスト、長寿命、メンテナンスフリーなどが挙げられます。 LED は可視光スペクトル上のほぼすべての波長の光を放射するように設計されており、必要に応じてフィルタリングできるため、顕微鏡コミュニティでは蛍光顕微鏡の励起光源として LED の使用が広く採用されています。

この研究では、1 台あたり 50 ドル (米ドル) 未満の目標構築価格でスマートフォンの蛍光イメージング設定を開発することを目指しました。我々は、「グロースコープ」と呼ぶこれらの装置が、緑色および赤色の蛍光色素を検出し、胎児ゼブラフィッシュの心拍数とリズムの変化を監視および検出する能力を実証します。私たちは、学部および幼稚園から高校までの教育者がこれらのリソースを使用して地域および次世代の科学基準を満たす機会について議論し、実証します。

この研究で行われたすべてのゼブラフィッシュの研究は、ウィノナ州立大学の施設内動物管理使用委員会によって承認されました。すべての実験は、この動物の管理と使用プロトコルのガイドラインと規制、および ARRIVE ガイドライン (https://arriveguidelines.org/) に厳密に従って実行されました。研究には人間の参加者は関与していませんでした。ゼブラフィッシュ (ダニオレリオ) の胚は、卵水 (0.0623 g/L Coralife 海洋塩) 中で 28 °C で飼育され、受精後の時間または形態学的基準に従って段階分けされました。この研究で使用されたトランスジェニック系統には、Tg(olig2:DsRed)vu19、Tg(nkx2.2a:EGFP-CaaX)vu16、Tg(phox2bb:EGFP)w37、Tg(mbpa:EGFP-CaaX; myl7:mCherry)が含まれます。 Tg(myl7:mCherry)13、Tg(sox10:mRFP)vu234、およびTg(UAS:EGFP-CaaX、myl7:EGFP)co18として、以下Tg(myl7:EGFP)と呼びます。観察のために胚および幼虫を可逆的に麻痺させるために、メタンスルホン酸トリカイン (Western Chemical, Inc.) 原液 (0.116 M) を、卵水を含むペトリ皿に 0.5 ～ 1 ml (トリカイン) の割合で 20 ml (卵) に直接添加しました。水）。アステミゾール原液（DMSO中10 mM）を、最終濃度10または30 μM（示したとおり）になるように卵水に直接添加することによりゼブラフィッシュを処理するために使用した。この研究で使用した他のすべての動物は、使用前に地元で収集されました。ペトリ皿に入った生きた昆虫の観察は、皿を氷の上に置いて動きを遅くすることで容易に観察できました。 ReptiTherm UTH を使用して、心拍数の研究 (Zoomed) のために温度を上昇させました。この温熱パッドの表面を赤外線温度計を用いて使用時の温度３５℃で測定した。酸性水によるゼブラフィッシュ胚の処理は、処理前と処理後の心拍数測定の間に、家庭用酢 (卵水中 10%) を使用して 30 分間実行されました。魚の餌によって誘発される行動のために、1 匹のゼブラフィッシュ幼生 (5 dpf) を、5 ml の卵水を含む 30 mm ペトリ皿に入れました。ゼブラフィッシュの獲物の捕獲を観察するために、生きたゾウリムシ bursaria (Carolina Biologicals) を 1 ml あたり 30 個のゾウリムシの濃度で卵水に直接事前混合しました。この濃度は、添加前に 3 つのサンプルを顕微鏡で観察することによって決定され、この目標濃度。

完全な部品リスト、設計、およびアセンブリ情報は、補足メソッドで入手できます。簡単に言うと、切断された合板または複合材料がプレキシガラス (ポリカーボネートまたはアクリル) の表面で組み立てられました。プレキシガラスに穴が開けられ、スマートフォンのカメラ用の明確な表示ポートが提供されました。追加のプレキシガラス片を切断して、ワッシャーとクランプで固定された可動ステージプラットフォームとして機能させました。クリップオンマクロレンズ (Lieront、www.amazon.com から購入、25X マクロとして宣伝) を使用して、蛍光用のスマートフォン画像に倍率を加えました。 USAF 1951 テストチャート (www.edmundoptics.com、カタログ #3857) を使用して、達成される最大画像解像度を決定しました。最大のデジタルズームで画像を取得した後、明確に分離できる最小の線と、それらが表す lp/mm (x) を決定しました。解像度 (ミクロン単位) は次のように計算されました: µm = 1000 / (x * 2)。

GFP 照明には、青色 LED ヘッドランプ (Topme、www.amazon.com から購入、フィッシングヘッドランプとして宣伝) またはマルチカラー LED 懐中電灯 (Lumenshooter、www.amazon.com から購入、戦術用懐中電灯として宣伝) が使用されました。。緑と黄色の波長の迷光を減らすために、劇場舞台用ジェル照明フィルム (Rosco #4990、CalColor Lavender) をカットし、LED とヘッドランプの集束レンズの間に挿入しました。 Rosco #14 (ミディアムストロー) および #312 (カナリア) 劇場舞台照明ゲルフィルムを個別にまたは組み合わせて発光フィルターとして使用しました。 LED ランプは、試験片の上方および試験片から 3 ～ 6 インチ以内に約 45 度の角度で保持されました。発光フィルターはアクリルプラットフォームとクリップオンレンズの間に配置されました。赤色蛍光タンパク質のイメージングには、発光フィルターとして #19 (Fire) とともに照明 (励起フィルター) として Rosco #88 (ライトグリーン) および #89 (モスグリーン) を使用しました。すべての Rosco フィルターは、www.stagelightingstore.com または www.bhphotovideo.com から購入しました。バーニア発光分光計 (VSP-EM、www.vernier.com) を使用して、励起フィルターの効果を評価しました。 Vernier Spectral Analysis ソフトウェア (バージョン 4.11.0–1543) を使用してデータを取得し、.csv 形式に変換しました。このデータは Microsoft Excel にインポートされ、その後 GraphPad Prism (バージョン 7.0、GraphPad) を使用してプロットを作成するために使用されました。光センサー (Vernier LS-BTA) に接続された Vernier LabPro を使用して、Vernier Logger Pro 3 ソフトウェア (バージョン 3.16.2) と組み合わせて青色 LED 懐中電灯の光強度を評価しました。マルチメーター (Amprobe 30XR-A) を使用して、バッテリーと青色 LED ヘッドランプの LED 間の電流引き込みを測定しました。

画像取得には Apple と Samsung のデバイスが使用されました。特に明記されていない限り、すべての画像取得は iPhone XR (Apple) を使用して実行されました。便宜上、ゼブラフィッシュ胎児の心臓の微速度撮影ビデオは ProCam 8 アプリを使用して取得しました。これにより、1X レンズをロックして使用でき、デジタルズームを 4.0X まで拡張できました。 4k解像度以上のフレームレートでは蛍光感度と信号対雑音比が低下するため、1080p解像度および60フレーム/秒（fps）でのビデオ取得を使用しました。すべての画像とビデオは、ビデオデータの圧縮を避けるために、Airdrop (Apple) または USB ケーブルを使用してラップトップに転送されました。ビデオは、まず Adobe Photoshop を使用してビデオを一連の TIFF 画像 (フレームごとに 1 つ) に変換することにより、Fiji14 にインポートされました。 Photoshop でスマートフォンのビデオを開いた後、画像がトリミングされ、[ファイルエクスポート] [ビデオのレンダリング] Photoshop 画像シーケンス (TIFF 形式) コマンドを使用して画像シーケンスとして保存されました。次に、ファイルイメージシーケンスのインポートコマンドを使用して、イメージシーケンスをフィジーで開きました。ゾウリムシ、泳ぐゼブラフィッシュ、オタマジャクシとイモムシの逃避反応の非蛍光タイムラプス観察では、120 fps の取得で 1080p の解像度を使用しました。

ゼブラフィッシュの心臓ビデオでは、一部のビデオにおける心腔の動きの検出と測定は、エッジ検出によって支援されました。これらの例では、[エッジの検索処理] コマンドを使用してエッジを検出するために Fiji が使用されました。心房と心室の動きに関連する蛍光変化を検出するために、生の画像シーケンスまたはエッジ検出された画像シーケンスが使用され、フィジー国内でさらに分析されました。まず、[セット測定の分析] コマンドを使用して、最小および最大グレー値、平均グレー値、およびしきい値までの制限を測定するようにフィジーに指示しました。画像スタックは、Image Type 8 ビットコマンドを使用してグレースケールに変換されました。画像のドリフトや非生物学的な動きが発生した場合、この問題を解決するために Plugins Image Stabilizer コマンドが使用されました。画像は、心腔壁が x-y 軸を横切って一貫して前後に移動する潜在的な関心領域 (ROI) をスキャンしました。 ROI を定義したら、分析ツールの ROI マネージャーウィンドウまたは「t」ショートカットを使用して追加しました。 ROI の特定と同時に、画像調整しきい値ウィンドウを使用して、移動するチャンバー壁が常に ROI ボックスに出入りするしきい値を確立しました。画像のしきい値と ROI ボックスの位置の理想的な組み合わせが確立されたら、デフォルト、暗い、黒の背景設定を選択する Process Binary コマンドを使用して画像をバイナリデータに変換しました。 ROI 内の蛍光強度を経時的に測定するには、ROI マネージャー内の Multi Measure ツール (「詳細」タブの下) を使用して、経時的な測定値のセットを作成しました。生データを切り取って、Microsoft Excel スプレッドシートに直接貼り付けました。スプレッドシート内では、式を使用して最大強度列を使用して各心拍の開始を特定し、GraphPad Prism 7.0 を使用してプロットを作成しました。各ビートの開始は、0 から 255 への移行によって定義されました。

蛍光観察用のスマートフォンまたはタブレットをサポートするフレームとして、非蛍光イメージングに広く使用されているDIY顕微鏡の設計を採用しました3、4。このフレームは、標本の上にスマートフォン（またはタブレット）を保持するためのプレキシガラスプラットフォームで構成されていました（図1a）。 2番目

グロースコープフレームを使用した非蛍光標本のライブビュー。 (a) 図は透過光観察の光路を示しています。示されているコンポーネントには、スマートフォン、クリップオンレンズ (黒)、グロースコープフレーム (グレー)、ステージと展望台 (透明)、標本が入ったペトリ皿、ステージと展望台の下に配置された LED 作業灯が含まれます。 (b) クリップオンレンズなしでスマートフォンのカメラを使用した画像表示には、ゼブラフィッシュの胚が表示されます (青い矢印、3 dpf)。標準的な鉛筆（消しゴム側）をサイズの参考として示しています。 (c) 追加のクリップオンレンズを使用した画像ビューは、パネル (b) に見られるのと同じゼブラフィッシュの胚と鉛筆消しゴムを示しています。パネル (b ～ c) に示されている画像は、ライブビューで見られるネイティブ倍率 (伸長されていない) であり、1 倍 (中倍率) レンズ、6 倍デジタルズームを備えた Apple iPhone 12 Pro を使用して取得されました。

スマートフォンのレンズの下に配置されたプレキシガラスのプラットフォームは、標本を保持するステージとして機能しました。プレキシガラスステージの高さは調整可能であるため、標本に焦点を合わせることができます。木製または複合板、ナット、ボルト、およびワッシャーを使用して、プレキシガラスのプラットフォームとステージを所定の位置に保持しました。非蛍光イメージングでは、周囲の室内照明が不十分な場合に、標本の下に配置されたバッテリー駆動の LED 作業灯が追加の光を提供しました (図 1a)。

スマートフォンやタブレット単体での倍率と解像度を高めるために、追加の「クリップオン」マクロレンズをスマートフォンまたはタブレットのカメラに固定しました (図 1a、c)。この研究で使用した追加のクリップオンレンズにより、約 5 倍の倍率が得られました (図 1b ～ c)。この大きさは、クリップオンレンズから標本が置かれた距離に依存しました。鉛筆の消しゴムの長さ（長さ 2 ～ 3 mm）にほぼ等しい胚のゼブラフィッシュ（受精後 2 ～ 4 日）を観察すると、倍率と画像解像度が向上したため、ゼブラフィッシュのボディプランの特徴が容易に観察できるようになりました。たとえば、目、心臓、卵黄、尾などの解剖学的構造は、クリップオンレンズを使用してライブディスプレイ上で簡単に観察できました（図1c）。 USAF テストターゲットを使用し、クリップオンレンズを追加した iPhone 11 カメラを使用して 9.8 µm の解像度を測定しました。これは、ライブビューまたは画像取得後の画像解像度と解剖学的詳細の大幅な向上に相当します。画像が取り込まれ、スマートフォンやラップトップの画面上でさらに拡大するためにデジタルで引き伸ばされた後、クリップオンレンズは解剖学的構造や個々の色素細胞 (メラノサイト) さえも簡単に解像します。比較すると、クリップオンレンズがなければ、これらの同じ機能を見るのは困難または不可能でした（補足図S1）。

スマートフォンスコープに蛍光撮影機能を搭載するために、次に蛍光光源とフィルターを追加しました。緑色の蛍光を発する標本を観察するために、LED 作業灯をオフにし、代わりに青色 LED ヘッドランプまたは懐中電灯を使用しました (図 2a)。劇場の舞台照明フィルターを使用して、カメラのレンズに到達する青色光をブロックしました。そのために、クリップオンレンズとスマートフォンの直下にフィルターを配置しました (図 2a)。これらの安価な「発光フィルター」は、標本からの緑色の蛍光がフィルターを通過してカメラに到達することを可能にしながら、青色の懐中電灯からの蛍光バックグラウンドを減少させます。私たちはまず、広範囲のスペクトル特性を備えた劇場舞台照明フィルターのサンプルパックを入手しました。多数のフィルターの色のオプションをテストした結果、次の組み合わせが最適であることがわかりました。

スマートフォンの緑色蛍光顕微鏡用のレクリエーション用 LED 懐中電灯および劇場舞台照明フィルターの使用。 (a) グロースコープで緑色蛍光を観察するために使用されるコンポーネントの概略図。（ b – d ）細胞型特異的パターンで緑色蛍光を発現するトランスジェニックゼブラフィッシュ胚の代表的な蛍光画像（3 – 4 dpf、側面図）。表示されるレポーターラインには、Tg(nkx2.2a:memGFP) (b)、Tg(myl7:EGFP) (c)、および Tg(phox2b:EGFP) (d) が含まれます。 (e) 画像は、緑色蛍光観察に使用されているグロースコープを示しています。（ f – g ）プロットは、EGFPの励起プロファイル（灰色、www.fpbase.orgから入手）と比較して、青色LEDフラッシュライトの発光波長（黒と青の線、バーニア分光計を使用して測定）を示しています。パネル (f) の破線ボックス領域は、パネル g でさらに拡大され、R4990 フィルターの効果をより詳細に示しています。パネル (b ～ d) の画像は、Apple iPhone XR を使用して取得されました。

Rosco #14 および #312 舞台照明フィルターは、青色光を効果的にブロックしながら、強力な緑色蛍光信号をカメラに透過できるようにしました (図 2a)。このセットアップの機能をテストするために、組織または神経細胞のサブセットで増強緑色蛍光タンパク質 (EGFP) を発現するトランスジェニックゼブラフィッシュレポーター系統を使用しました。たとえば、この蛍光セットアップは、Tg(nkx2.2a:memGFP) 胚の脳および脊髄の蛍光、Tg(myl7:EGFP) 胚の心臓組織を容易に検出し、細胞のサブ領域で発現される EGFP を検出するのに十分な感度を備えていました。 Tg（phox2b：EGFP）胚の胚の後脳（図2b–d）。バックグラウンド蛍光をさらに低減し、信号対雑音比を高めるために、青色 LED 懐中電灯と標本の間に Rosco フィルター 4990 を追加しました (図 2a)。逸話的に言えば、この「励起」フィルターは、スマートフォンのカメラに発せられ、表示された画像に伝達される緑色の蛍光の損失を無視して、青緑色の背景を暗くしました。バーニア分光計を使用して、追加した励起フィルターにより 460 ～ 500 nm の LED 蛍光強度がわずかに減少することがわかりました（図 2f–g）。これは、R4990 励起フィルターを使用したときに表示された画像上の青色の背景の蛍光が減少したことを説明している可能性があります。この追加の励起フィルターは緑色蛍光の観察には必要ありませんが、薄暗い蛍光で標本を観察するときに効果的にバックグラウンドを低減し、信号対雑音比を改善できます。青色 LED ヘッドランプのプロファイルをさらに評価するために、2.5 A での消費電流と 492 lx での光強度を測定しました。これらの測定値は、長時間にわたる眼への直接曝露の防止を保証する範囲内です (「考察」を参照)。

また、赤色蛍光を観察するための LED と舞台照明フィルターもテストしました (図 3)。青色の懐中電灯の代わりに、緑色のLED懐中電灯を使用しました。レンズの下に配置された発光フィルターとして、Rosco 舞台照明フィルター #19 を使用して緑色光をブロックし、赤色蛍光をカメラレンズに通過させました (図 3a)。私たちの手では、この発光フィルターは二重にすると最もよく機能し、赤色蛍光タンパク質を発現するトランスジェニックゼブラフィッシュ系統の鮮明な蛍光観察を提供しました。例として、この設定では、Tg(olig2:DsRed) 胚の脳と脊髄の特徴、Tg(myl7:mCherry) 胚の心臓の蛍光、Tg(sox10:mRFP) の頭と顎の骨格 (頭蓋神経堤) の蛍光が効果的に照射されました。胚（図3b–d）。私たちが使用した LED 懐中電灯は 530 nm LED 励起を宣伝しており、これは使用した蛍光色素の中で DsRed のスペクトル特性と最もよく一致していました。実際、私たちの手では、緑色の懐中電灯とRoscoの舞台照明フィルターはDsRedと最もよく合いましたが、赤方偏移した蛍光タンパク質mRFPおよびmCherryとの組み合わせはやや劣りました（図3b-d）。懐中電灯を Rosco フィルター #88 および #89 で覆うことにより、バックグラウンドの蛍光とシグナル:ノイズ比がわずかに改善されました (図 3a)。この励起フィルタリングにより、540〜580 nmの波長での蛍光強度が減少し（図3f〜g）、励起フィルタを使用したときに取得された画像で観察される背景蛍光の減少を説明できる可能性があります。励起フィルター #88 および #89 は画質と薄暗い蛍光の検出を向上させましたが、赤色蛍光イメージングには必要ありませんでした。

赤色蛍光タンパク質のグロースコープ検出。 (a) グロースコープで赤色蛍光を観察するために使用されるコンポーネントの概略図。緑色蛍光観察と比較すると、懐中電灯とフィルターが変更されていますが、グロースコープの残りの部分は変更されていません。（ b – d ）細胞型特異的パターンで赤色蛍光を発現するトランスジェニックゼブラフィッシュ胚の代表的な蛍光画像（3 – 4 dpf、側面図）。表示されるレポーターラインには、Tg(olig2:DsRed) (b)、Tg(myl7:mCherry) (c)、および Tg(sox10:mRFP) (d) が含まれます。スケールバーは1 mmです。 (e) 画像は、赤色蛍光観察に使用されているグロースコープを示しています。（ f – g ）プロットは、DsRed（灰色、www.fpbase.orgから入手）の励起プロファイルと比較して、緑色LEDフラッシュライトの発光波長（黒と緑の線、バーニア分光計を使用して測定）を示しています。パネル (f) の破線ボックス領域は、パネル (g) でさらに拡大され、R88 + R89 フィルターの効果をより詳細に示しています。パネル (b ～ c) の画像は Apple iPhone XR を使用して取得され、パネル (d) は iPhone 12 Pro を使用して取得されました。

スマートフォンまたはタブレットを蛍光顕微鏡に変換するために必要な部品を図 4 にまとめます。テストと原稿作成の時点では、必要な部品は個々のグロースコープあたり合計 30 ～ 50 米ドルで入手できました (図 4a) ）。木材とプレキシガラスを基本的な工具で切断し、穴を開けました。劇場の舞台照明フィルターは大きなシートで購入され、適切なサイズにカットされたため、この用途ではフィルター 1 枚あたりのコストが 0.10 米ドル未満になりました。青と緑の LED 懐中電灯は、戦術、狩猟、釣り用途向けにオンライン小売業者から簡単に入手できました。私たちは多数のオプションをテストした結果、緑色蛍光タンパク質を観察するには、UV 光ではなく青色光を使用するオプションが最適であることがわかりました。私たちが推奨した光源は、青 (454 nm) と緑 (530 nm) の両方の色を備えた多色戦術懐中電灯で、これらの研究が実施された時点では 20 米ドルで販売されていました。販売者に直接連絡して一括購入することで、卸売価格（〜50％割引）で直接購入できるように手配しました。パーツとビルド手順の詳細については、補足メソッドを参照してください。

グロースコープのコンポーネントとスマートフォンの互換性の概要。 (a) 表は、基本コンポーネントとコスト (この調査時点) を米ドルで示しています。 (b) Tg(phox2b:EGFP) ゼブラフィッシュ胚の代表的な画像は、テストされたすべてのデバイスとの互換性を示していますが、テストに使用されたさまざまなタブレットとスマートフォンの間には微妙な違いがあります。スケールバーは1 mmです。

さまざまなカメラデバイスとグロースコープの互換性を評価するために、次に、さまざまなスマートフォンおよびタブレットモデルを使用して、Tg（phox2b:EGFP）胚の緑色蛍光を検出する蛍光観察機能をテストしました。最初にテストした緑色レポーター系統（図2b〜d）のうち、Tg（phox2b:EGFP）は、緑色蛍光発現が胎児の後脳の一部にのみ存在するため、観察するのが最も困難でした。サムスン、アップル、グーグル、モトローラの携帯電話やタブレットを含む、テストしたすべてのデバイスは、後脳で微妙な緑色の蛍光を検出しました（図4b）。新しいデバイスは一般に、背景の蛍光と比較して明るい緑色の強度の蛍光画像を取得しますが、これらの違いは微妙でした。グロースコープの蛍光観察には、最新のスマートフォンやタブレットモデルを使用する必要はないと結論付けています。

次に、胚ゼブラフィッシュの緑色蛍光イメージングを使用して、心拍数と律動性の変化を検出するグロースコープの機能をテストしました。 Tg（myl7:EGFP）レポーターは心筋細胞で緑色蛍光を発現するため、グロースコープとスマートフォンのライブディスプレイにより、鼓動する心腔の動きが時間の経過とともにはっきりと観察できるようになりました（図5a）。画像設定が薬物による心拍数の変化を検出できるかどうかを判断するために、アステミゾールによる30分間の治療の前後で観察前および観察を実行しました（図5b）。以前はヒスマナールというブランド名であったアステミゾールは、抗ヒスタミンアレルギー薬として一般的に使用されていましたが、QT延長症候群、心不整脈、生命を脅かす頻脈など、稀ではあるが致命的な心臓合併症を引き起こすため、1999年に市場から撤退しました15。これらの人体への副作用は、アステミゾールが抗ヒスタミン作用機序に加えて心臓活動電位の再分極に関与する ERG 型 K+ チャネルを遮断するために引き起こされました 16。これまでの研究では、ゼブラフィッシュ胚において、アステミゾール治療が用量依存性および時間依存性の徐脈を引き起こし、最終的に房室 2:1 ブロック (不整脈) および心停止を引き起こすことが実証されています 17。リアルタイムでの Tg（myl7:EGFP）ゼブラフィッシュのスマートフォン蛍光観察を使用して、30 分間のアステミゾール治療後の心拍数の大幅な低下を検出しました（図 5b-c）。この薬物治療誘発性徐脈は、ビデオの録画中（ライブビュー）、スマートフォンのディスプレイ画面で再生中の録画ビデオを観察することによって、またはビデオ録画を転送してラップトップディスプレイで表示することによって同様に観察されました（図5d）。

トランスジェニックゼブラフィッシュ胚における薬物誘発性心拍数変化のグロースコープ検出。 (a) 左の蛍光画像は、Tg(myl7:EGFP) 胚の心臓における GFP 発現を示します (腹側図)。ボックス領域は中央の列でさらに拡大されており、iPhone 11 Pro スマートフォンで取得したビデオ全体にわたるチャンバーの動きを上から下に示しています。チャンバーの動きを見やすくするために、これらのビデオをラップトップに転送し、ImageJ (フリーソフトウェア) で開き、チャンバーの壁の輪郭を示すエッジ検出を使用して処理しました。静止矢印は心腔の動きを強調表示します。 (b) アステミゾール処理 (10 μM) に応答したゼブラフィッシュ心拍数のイメージング前後のフローチャート。 (c) プロットは、アステミゾールによる治療前後のゼブラフィッシュ胚の平均心拍数を示しています。 n = 10 匹の動物を 1 回の独立した実験で測定、P = 0.0002、対応のある両側 t 検定。 (d) リアルタイムでのビデオ録画中に実行された測定結果 (左のバー)、ビデオ録画後にスマートフォンで表示されたもの (中央のバー)、またはラップトップで表示されたもの (右のバー)。 N = 10 匹の動物を 1 回の独立した実験で測定、P = 0.942、一元配置分散分析。パネル (c ～ d) では、散布図の点は個々のゼブラフィッシュ (心拍数) の測定値を表し、エラーバーは標準偏差を表します。

スマートフォンの蛍光の機能と限界をさらにテストするために、次に心房と心室の収縮率を個別に解析する能力を評価しました。これは心不整脈の検出に有益である可能性があると予測されました。私たちが撮影したほとんどのビデオ録画では、すべてではありませんが一部の胚で個々の胎芽の動きがはっきりと見え、グロースコープの限界を押し広げていました。チャンバーの動きの明瞭さと検出を強化するために、スマートフォンのビデオを、無料で入手可能なソフトウェア ImageJ (Fiji としても知られる) を実行しているコンピューターに転送しました。フィジー国内では、「エッジの検索」コマンドにより、心腔のエッジと時間の経過に伴う動きの概要を示す簡単な手段が提供されました (図 6a ～ c)。特に小さな関心領域（ROI）ボックス内での蛍光強度の変化をモニタリングすることにより、経時的にROIの内外で振動する心腔壁の動きを検出しました（図6c〜d）。この方法では、スマートフォンデバイスを使用して心房収縮率と心室収縮率を明確に分離できました（図6c〜d）。アステミゾール治療の前後に記録されたビデオから生成されたプロットでは、顕著な違いが示されました。治療前には、両方の心室が交互のパターンで急速に拍動します。比較すると、高用量のアステミゾール（30μM）による30分間の治療は、心房拍動が1回おきに心室が停止することから明らかなように、重度の徐脈と不整脈を引き起こした（図6d）。

薬物誘発性心不整脈のグロースコープ検出。（a – b）グロースコープビデオの静止画像（iPhone 11 Proで取得）は、3 dpf Tg（myl7：EGFP）ゼブラフィッシュ胚の心房と心室を示しています。画像は、スマートフォンのビデオ録画から直接得られた心臓の蛍光の生の（編集されていない）ビュー（a）、またはフィジーを使用してコンピューター上でエッジ検出が実行された後に同じ心臓の処理されたビュー（b）を示しています。青とマゼンタの長方形は、（c〜d）の高倍率観察と分析に使用される心室と心房の領域を示しています。 (c) 画像は、グロースコープによって検出された心室 (左) または心房 (右) の部屋の動きの時間経過 (上から下) を示しています (パネル b のボックス領域に対応)。点線で囲まれた小さな関心領域を使用して、経時的な蛍光強度の変化を監視しました。アスタリスクは、前のフレームに対して心腔壁が関心領域内に移動したフレームを強調表示します。 (d) 心房および心室室についてプロットされた蛍光強度対時間のグラフは、振動する室の動きを明らかにします。同じ胚 (N = 1) 内の測定値を、アステミゾール処理前 (上) と処理後 (下) に別々に取得して分析しました。パネル (c) に示されているダッシュボックスで囲まれた対象領域内の最大蛍光強度 (任意の単位) が取得され、ビデオ記録の各時間フレームに対してプロットされました。その結果、チャンバーの蛍光が入って領域を占有するたびに蛍光ピークが生じます。ボックスで囲まれた関心領域。対照心臓とアステミゾール治療心臓間の心拍数の違い、およびアステミゾール治療によって誘発された不整脈の 2:1 心房:心室拍動パターン (下のプロット、30 μM) に注目してください。パネル (d) の青い矢印は、心室拍動の欠落を示します。ビデオは補足ビデオ S1 で利用できます。

蛍光顕微鏡での使用に加えて、グロースコープフレームとクリップオンレンズは非蛍光標本の観察にも役立ち、一部の科学支援現場で広く使用されています 3,4。私たちの手では、標本の下に配置されたLED作業灯は、ゼブラフィッシュの胚や幼虫などの透明な標本にうまく機能しました（図1、2、補足図S2）。透過光は不透明な標本の観察には効果的ではない可能性があることを認識し、次に、透明標本と不透明標本の両方に対する代替照明オプションを比較しました。オタマジャクシや昆虫などの標本を観察する場合、標本の横または上に光を配置する（落射照明）と有利であることがわかりました（補足図S2）。どちらのオプションも、LED 作業灯を希望の位置に手で保持することで実現できます。落射照明のより便利なオプションとして、USB 電源 COB LED ストリップライトを再利用しました (補足方法を参照)。これらの安価なライトは通常、家庭用キャビネットやクローゼットの照明用に販売されており、裏面に接着剤（テープ）が付いているため、標本のすぐ上のプレキシガラスの下に取り付けることができました（補足図S2）。これらの代替照明オプションは、標本タイプの多様性が必要な場合に役立つ可能性がありますが、胚および幼生ゼブラフィッシュの観察には必要ありませんでした。

グロースコープは一部の研究用途には適しているかもしれませんが、その開発の主な動機は、科学教育者や支援プログラムのニーズを満たすことでした。米国では、幼稚園から高等学校までおよび学部レベルでのライフサイエンス教育に関する推奨事項に、実践的なアクティブラーニングの増加が含まれています18。これらの推奨事項は、学生の学習のための唯一の手段としての講義ベースの情報伝達を重視せず、代わりに学生が自分自身で科学的方法を反復的に実行することによって科学を学ぶことを提案しています。この教育学的変革に伴う固有の課題は、分野に基づいた学習目標を魅力的にサポートする新しい実践的な学習活動を開発するという教師へのプレッシャーの増大です。グロースコープは、予算に優しく、生徒の興味と興奮を高め、教室での実践的な学習をサポートできる数多くのツールのうちの 1 つと言えます。そのオプションを支援するために、その使用法と組み立て手順を文書化したビデオが、YouTube でホストされているグロースコープチャンネル (https://www.youtube.com/channel/UCoRglCdvrtqwkBcvP10ibDg) で利用できます。

その使用の潜在的な機会を評価するために、私たちはまず幼稚園から高校までの次世代科学標準 (NGSS) を調査しました。私たちは、1 年生、3 年生、MS (中学校、6 ～ 8 年生)、および HS (高校、9 ～ 12 年生) でのグロースコープの使用に適合する NGSS 規律の核となるアイデアを特定し、提案されている生徒の学習活動の表を作成しました。これらの各レベル (補足表 S1 ～ S3)。これらの表の中で提案されている生徒の学習活動は、さまざまな方法でグロースコープに依存しています。たとえば、蛍光を使用するアクティビティもあれば、非蛍光観察を使用するアクティビティもあります。蛍光を使用せずにグロースコープを最初に使用すると、技術的により困難になるその後の蛍光の使用に備えてユーザーが適切に準備できる可能性があります。多くの活動ではゼブラフィッシュ胚の使用が提案されていますが、地元で収集されたものであっても、生物学的供給業者から購入されたものであっても、他の生物を使用することもできます。ゼブラフィッシュ胚の使用が望まれる場合、教育者は、自分の地域ですでにゼブラフィッシュを使用している近くの研究室を検索する手段として www.zfin.org を認識する必要があります。これにより、胚や成体を入手するための地元のアクセスの機会が提供される可能性があります。

次に、STEM 教育または支援のための NGSS 互換の学生学習活動の代表的な例を提供するために、一連のパイロット実験を実行しました。 NGSS は、1 年生では、データの分析と解釈において学年に応じた習熟度を身につけるだけでなく、観察を生徒に参加させることを教育者に推奨しています。私たちは最初に、同じ親からの子孫の外観がどのように異なる可能性があるか、および子孫が生き残るのに役立つ行動の種類に対処する特定の中心的なアイデアに焦点を当てました（補足図S3）。これらの例では、学生が非蛍光グロースコープを使用してスマートフォンまたはタブレットのディスプレイ上で動物を観察し、観察を記録するための表を作成します。子孫の行動がどのように生き残るのに役立つかを検討するために、私たちは鉛筆を使って胚に優しく触れ、その反応を観察し、観察とこれらの観察された反応に関与する体の部分の表を作成しました。オタマジャクシとオオカバマダラの場合に示されていますが（補足図S3）、この活動はゼブラフィッシュまたは地元で収集された多くの昆虫やワームと互換性があります。教師は、生徒が標本に不必要な危害を加えないよう、手先の器用さが十分に発達しているかどうかを慎重に判断する必要があります。

グレード 1 の中心的なアイデアで扱われる追加の質問は、動物が成長に必要な情報をどのように取得し、生き残るために役立つ方法で反応するかです (図 7a)。ゼブラフィッシュは、生後最初の 1 週間で、食物を視覚的に観察し、動く食物 (獲物) を追跡して攻撃し、顎を使って食物を食べる能力を初めて獲得します 19,20。ゾウリムシは、若いゼブラフィッシュにとって一般的に使用される食料源です。これらの単細胞生物は、運動を推進するために繊毛を使用して水中を「泳ぎ」ます。個体の長さは最大0.5 mmで、肉眼で見るのは困難ですが、ゼブラフィッシュ幼虫を含むペトリ皿内の個体の動きは、クリップオンレンズを備えたスマートフォンを使用して簡単に観察できました（図7b）。ゼブラフィッシュを含むペトリ皿にゾウリムシを添加すると、水泳イベントの頻度が増加しました（図7c〜e）。私たちは、学生に、餌を与えていないペトリ皿と餌を与えたペトリ皿（ゾウリムシを含む）を比較し、ゾウリムシの存在に反応するために使用される行動の種類と体の部分を観察することを提案します（図7f）。これらの反応は成長と生存に不可欠であり、複数の生物系が関与します。

1 年生の学習活動では、生き残るために必要な動物の体の部分に関する NGSS の中心的な考え方に取り組みます。 (a) NGSS 標準の説明と学生の活動提案。 (b) 時間経過 (左、灰色の画像シリーズ) は、麻痺したゼブラフィッシュ幼虫 (スケールの比較のために示されている) と同じ視野内に 2 つの運動性ゾウリムシ (青と黒の矢印) を示しています。右側のカラー画像は最大強度時間投影であり、タイムラプスビデオの各フレームから最も明るいピクセルをプロットし、それによって各ゾウリムシ (緑色) の軌跡をマークします。 PowerPoint のテクスチャライザー機能を使用して、この画像に色が追加されました。 (c) 餌のないゼブラフィッシュの幼虫（ゾウリムシ）を含む皿とゾウリムシの存在下での兄弟の間での遊泳と獲物の追跡行動を比較する生徒の学習活動の概要。 (d) 経時画像シリーズは、ペトリ皿内のゾウリムシの有無にかかわらずゼブラフィッシュの幼虫を示しています。ゾウリムシ処理皿(下、皿2)と比較して、対照(上、皿1)では動きが相対的に欠如していることに注目してください。 (d) に示す時間経過は 33 ミリ秒を表します。 (e) グラフは、(d) で提案されたグループ間の魚の幼生 (5 dpf) の遊泳行動の頻度の違いを示しています。 1 回の独立した実験で得られた条件あたり N = 4 匹の幼虫。バーは平均±標準誤差を示します。 P = 0.0911、対応のある両側 t 検定。 (f) パネル (d) のグループを比較し、獲物追跡行動に関与する身体部分を提案する学生観察の例。画像は、Apple iPhone 12 Pro を使用して取得されました (b) と、クリップオンマクロレンズなし (d) です。

高等学校の生命科学 (9 年生から 12 年生) では、NGSS の中心的な考え方は、遺伝子、遺伝メカニズム、形質の発現に対する遺伝子と環境の両方の影響に焦点を当てています。形質の発現に対する環境の影響に対処するために、私たちはグロースコープを使用して、温度と水の酸性度によって引き起こされる変化を監視する方法を開発しました。これらの学習活動では、学生は、個々のゼブラフィッシュがこれらの環境刺激に応答して胎児心拍数にどのような変化を示すかを調査できます（補足図S4）。 35℃の爬虫類パッドに10分間置いた前後の心拍数を比較する簡単な活動を示します（補足図S4）。魚は水の酸性度という形で環境の変化を経験することもあります。これをモデル化するために、水に家庭用酢を加え、酸性水に25分間浸漬した後の心拍数の低下を観察しました（補足図S4）。

形質とその遺伝学および環境への依存性を観察することに加えて、NGSS の中心的なアイデアは高校レベルでの遺伝継承のメカニズムも強調しています (図 8a)。導入遺伝子は優性形質であり、メンデルパターンで遺伝するため、ゼブラフィッシュの「発光形質」の使用は、学生がパネット平方を学ぶための楽しくて便利な方法となり得ます。この学習活動では、生徒にはいくつかのペトリ皿が提供され、それぞれに異なる親交雑からの胚が含まれています（図8b）。まず、学生はそれぞれの料理と「輝きの特性」を示す子孫の割合を観察します。次に学生は、考えられるすべての親の遺伝子型に対してパネット平方を作成し、どの子の遺伝子型が優性表現型を示すかを強調表示し、観察されたデータを 1 つ以上のパネット平方と照合します。学生はモデルを使用して、子孫の各皿について考えられる親の遺伝子型を評価し、議論することができます。

9 年生から 12 年生の NGSS 生徒の学習活動は、遺伝学と継承に焦点を当てていました。 (a) NGSS 標準の説明と学生の活動提案。（ b ）緑色の心臓形質を継承する割合を決定するために使用された4 dpf Tg（myl7：EGFP）ゼブラフィッシュ幼生の代表的なグロースコープ蛍光画像（白い矢印で示されています）。ゼブラフィッシュ胚の単一クラッチから得られた各セットの表にまとめられたデータは、観察された子孫の表現型比と一致するパネット平方と照合されます。画像は Apple iPhone 12 Pro を使用して取得されました。

この研究では、1 台あたり 50 ドル (米ドル) 以下のコストでスマートフォンまたはタブレットを低グレードの蛍光顕微鏡に変換するコンポーネントを開発し、特性評価しました。これらの自作デバイスはグロースコープと呼ばれ、最大 10 µm の解像度で緑と赤の蛍光色素を画像化することができ、スマートフォンカメラの高フレームレート機能をビデオ録画に利用できます。この研究の主な進歩は、低コストの娯楽用 LED 懐中電灯と劇場舞台照明フィルターを使用した緑色と赤色の蛍光観察の開発であり、これは、我々が使用したスマートフォンとクリップオンレンズ以外の顕微鏡設計と相互互換性があるはずです。私たちの勉強。コストが低いため、この研究で特徴付け、報告する特定の設計により、教室全体に複数のグロースコープを装備することが可能になり、それによって学生が実際に実験に取り組むことができる時間が増加するはずです。さらに、グロースコープは、高倍率を必要とせず、明るい蛍光標本を使用するいくつかの研究用途にも役立つ可能性があると考えています。たとえば、これにより、研究室は同時に多数のグロースコープからビデオデータを同時に取得できる可能性がありますが、複数の蛍光顕微鏡にアクセスできない研究室では不可能な場合があります。

Foldscope などの他の低コストまたは DIY スマートフォン顕微鏡と組み合わせて使用すると、研究室や教室の学生はタブレットやスマートフォンを使用してさまざまな顕微鏡画像を実行できます。具体的には、フォールドスコープは、テストしたグロースコープ構成よりも少なくとも 5 倍高い倍率 (解像度 2 μm を超える) を達成でき、フォールドスコープは非蛍光スマートフォンイメージング用の強力なデバイスになります2。この追加された解像度には、グロースコープによって補完できるトレードオフが伴います。蛍光能力の違いに加えて、フォールドスコープの倍率の増加により作動距離が減少するというトレードオフがあり、そのため水生生物やペトリ皿内の標本を扱うことが困難または不可能になる可能性があります。比較すると、この研究で使用したグロースコープのクリップオンレンズは、焦点距離が長く、より柔軟であるため、大きな標本やペトリ皿の使用に適合し、クリップオンの有無にかかわらず、非蛍光観察に使用できます。マクロレンズ。クリップオンレンズなしで使用した場合、スマートフォンと標本の間の焦点距離は 5 ～ 10 cm 程度です。このように、スマートフォンのカメラを備えたグロースコープフレームは、基本的な解剖顕微鏡として機能します。

グロースコープは現在、スマートフォン顕微鏡を使用して蛍光顕微鏡検査を実行するいくつかの方法の 1 つです。スマートフォンで蛍光観察を行うためのさまざまな方法やアタッチメントには、ユーザーが希望する用途に応じて、それぞれ長所と短所があります。たとえば、標本がスライドと互換性があり、スマートフォンに取り付けられる 3D プリント装置に挿入できるオプションが存在します 21、22、23。これらのアプローチは、グロースコープで使用されるクリップオンマクロレンズよりも高い倍率と解像度を提供する可能性があります。 1 つの欠点は、3D プリントされたアタッチメントが特定のスマートフォンモデルでのみ機能する可能性があることです。スライドの挿入に制限があると、作動距離、解剖能力、水に浸す必要がある生きたオタマジャクシやゼブラフィッシュの胚などの標本との適合性も制限されます。さらに別の方法では、フィルターをレンズに直接接続することで、電話機のレンズを永久に交換します24。このアプローチは、スマートフォンデバイスをこの目的専用にできる研究環境では機能する可能性がありますが、学校または学生が所有するデバイスが他の目的に使用され、永続的に変更できない場合には、良い選択肢ではありません。

この研究でのテストはゼブラフィッシュの胚と幼生を使用して行われましたが、スマートフォンの顕微鏡はゼブラフィッシュだけに互換性があるわけではありません。ただし、K-12 または学部教育環境でグロースコープの使用が必要な場合は、ゼブラフィッシュ水族館と研究グループがほとんどの大学で一般的になっており、ZFIN Web サイトを使用して場所 (住所、市の名前）。これにより、ほとんどの主要都市でゼブラフィッシュ胚の取得が可能になります。地元の教育者にゼブラフィッシュを提供し、場合によっては教育者を訓練する多くの STEM 支援プログラムがすでに存在しています 25、26、27。さらに、教育者は最小限の指示と設備で、地元の小売店またはオンラインで成魚の GloFish を購入し、小さな水槽で魚の繁殖を行い、必要なだけ頻繁に自分の胚を取得することができます。さまざまな細胞および組織タイプで赤色および緑色の蛍光色素を発現するトランスジェニックレポーター株が多数存在しており、リソースセンターを通じて、または研究室に直接問い合わせることによって入手できます。私たちの観察に基づくと、EGFP または赤色蛍光色素を発現するトランスジェニック系統はグロースコープと互換性があると考えられます。より明るい蛍光レポーターの発現、より広範な発現（より多くの細胞および組織）、および懐中電灯 LED の波長に最もよく一致する蛍光タンパク質を有するものを選択すると有利です。たとえば、テストした約 450 nm および 530 nm の娯楽用 LED 懐中電灯は、それぞれ EGFP および DsRed で最もよく機能しました。

科学教育の推奨事項と証拠に基づいた教育法は、従来の講義方法や学習者が情報を暗記することから離れています。むしろ、教育と学習の研究では、より積極的で探究ベースの学習が生徒を惹きつけ、より良い学習成果をサポートすることが示されています28。学生に独自の観察を行い、モデルと予測を形成し、データを取得して解釈し、それを使用してモデルと理解を修正する機会を提供することは、生命科学教育研究および NGSS および学部生物学教育におけるビジョンと変化に関する推奨事項から得られる共通のポイントです 15 、29。グロースコープやフォールドスコープなどのデバイスを使用すると、生徒が科学を行うことで科学について学べるようにするというこれらの目標をサポートできます。このようにして、学生は講義形式で提供される情報を吸収しようとするのではなく、概念について独自の理解を構築します。

私たちの研究は主に科学教育の学習活動にゼブラフィッシュを利用しました。光るトランスジェニックゼブラフィッシュの胚または幼生は、遺伝子とタンパク質、遺伝、生理学、動物の行動、ライフサイクル、生物の発生などの基本原理を探求する機会を学生に提供します。さらに、ゼブラフィッシュは、シャーレ内の胚水に因子を簡単に追加できるため、生物と環境の間の相互作用に対処するための有用なツールにもなり得ます。たとえば、ゼブラフィッシュの心臓の構造と機能は、グロースコープで簡単に観察できますが、除草剤、殺虫剤、殺菌剤、アルコール、タバコの影響を受けます 30,31,32,33,34。補足表 S1 ～ S3 にリストされているこれらおよびその他の推奨事項は、教育者がグロースコープを使用して、あらゆる年齢の学習者を興奮させ、学習活動を NGSS の規律の中核となるアイデアと一致させ、NGSS の科学および工学の実践に取り組む方法のベースラインを提供する可能性があります。グロースコープまたは同様のデバイスは、地球科学、芸術、光学、電子工学、コンピューターサイエンスなどの非生物的活動に役立つ可能性があることは注目に値します。たとえば、ij.imjoy.io などのソフトウェアを携帯電話で使用すると、カメラを直接制御できます。これにより、より高度な機能が追加され、基本的なコーディングとマクロの操作方法を生徒に教えることができます35。

幼稚園から高等学校までの教室にグロースコープを組み込む場合の潜在的な制限の 1 つは、デバイスのアクセシビリティです。私たちのテストでは、グロースコープが Apple、Samsung、Google、および Motorola のデバイスと互換性があることが示されています。平均して、これらのデバイスは米国市場で使用されているデバイスの約 95% を占めています36、37、38。 LG や Huawei などの他のデバイスではまだテストしていませんが、テストしたデバイスとの普遍的な互換性に基づいて、これらも同様に機能すると予想されます。幼稚園から高等学校までの一部の教室では、生徒が個人用デバイスを使用することが許可されていない場合があります。ただし、私たちが問い合わせたすべての学区 (N = 4) は、生徒に Apple iPad を支給しているか、必要なときに教室に持ち込んで使用できるデバイスを多数保有しています。グロースコープに関連する 2 番目の制限または課題は、レンズと青色 LED 懐中電灯の一貫した調達です。通常、実店舗の小売店では、この用途に適した青色 LED やスマートフォンレンズアダプターを取り扱っていないか、断続的にしか取り扱いません。そのため、オンライン小売業者から部品を購入しましたが、特定の部品番号が提供されていないことが多く、製品の入手可能性は頻繁に変更される可能性があることがわかりました。補足方法の詳細な部品情報を使用して、LED およびクリップオンレンズの調達に関する潜在的な問題を解決できます。これに対する簡単な解決策は、赤色蛍光観察に使用したマルチカラー LED フラッシュライト (ルーメンシューター) です。これは、青色光設定を使用すると緑色蛍光観察にもうまく機能しました。この製品は、調査および原稿の準備段階全体を通じて、Amazon によって在庫が継続されています。この調査でリストした製品以外の幅広い製品がこのアプリケーションで機能すると考えられますが、スケールアップする前に初期テストが必要になる場合があります。青色またはロイヤルブルー (約 450 nm) LED は、実店舗の小売店でより一般的に販売されている、UV シフトされた紫青色光 (例: 405 nm) よりも、緑色の蛍光色素を励起するのに最適に機能します。ユーザーがどの光源が最適であるかを判断するのが難しく、目的の試料を使って実際にテストすることが不可能な場合は、地元の大学の物理学科に問い合わせれば、最小限の時間と労力で波長をテストできる分光計に簡単にアクセスできるはずです。

追加の制限または欠点には青色 LED の使用が含まれます。これは、生徒が意図しない方法で光を目に向けると潜在的に危険である可能性があります39。私たちの研究で使用された青色 LED ヘッドランプは、IEC 62471 ガイドラインで定義されているように、「明るい光に対する嫌悪反応や熱的不快感による危険を引き起こさない」(RG-2) と特定された範囲の電流引き込みと光強度を示しました。ランプおよびランプシステムの光生物学的安全性40. この青色 LED は、胚の緑色蛍光を検出するには十分ですが、過剰ではありませんでした。したがって、スマートフォンの蛍光観察に使用される青色 LED ライトは、ある程度の注意が必要と思われます。解決策の 1 つは、LED ライトをスタンドに取り付けることです。これにより、偶発的または非偶発的な目の露出が軽減され、光が安定してデータ収集が向上します。数人の教師、管理者、科学教育の専門家との議論に基づくと、LED 照明は 3 年生以上を含む小学校の理科教室ではすでに普及しています。教育者は、青色の波長は白色や他の色の懐中電灯よりも有害である可能性があり、レーザーポインターは懐中電灯よりもさらに大きな安全上のリスクを引き起こす可能性があることを認識する必要があります。小学校低学年の教室で青色蛍光灯を使用する場合は、教師の慎重な判断を求めます。小学校低学年の教室で生徒がグロースコープを非蛍光で使用することで、スマートフォン顕微鏡法に慣れ、その後の学年レベルで同じデバイスを使用したより高度な蛍光の使用に備えることができる可能性があります。これは、学生が行動的に安全ガイドラインに従うことができる適切な年齢と一致します。

すべてのデータセットは、対応する著者からのリクエストに応じて入手できます。

Hergemöller, T. & Laumann, D. スマートフォン拡大アタッチメント: 顕微鏡または虫眼鏡。物理学。教える。 55、361 (2017)。

記事 ADS Google Scholar

Cybulski, JS、Clements, J. & Prakash, M. Foldscope: 折り紙ベースの紙顕微鏡。 PLoS ONE 9、e98781 (2014)。

論文 ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Goldstein、B. DIY 顕微鏡ワークショップ。ゴールドスタインラボ https://goldsteinlab.weebly.com/diymicroscopeworkshops.html (2022)。

吉野、K. 10 ドルのスマートフォンからデジタル顕微鏡への変換。 Instructables https://www.instructables.com/10-Smartphone-to-digital-microscope-conversion/ (2022)。

キム、H.ら。 LudusScope: ライフサイエンス教育向けのアクセス可能なインタラクティブなスマートフォン顕微鏡。 PLoS ONE 11、e0162602 (2016)。

記事 PubMed PubMed Central Google Scholar

Wicks, LC et al. EnLightenment: 教育および公共参加プラットフォームとしての高解像度スマートフォン顕微鏡検査。ようこそオープンRes. 2、107（2017）。

論文 PubMed Google Scholar

Kobari, Y.、Pfanner, P. & Prins, GS 単球レンズ顕微鏡とスマートフォンを使用した男性不妊スクリーニングのための新しいデバイス。肥料。無菌。 106、574–578 (2016)。

論文 PubMed Google Scholar

Rabha, D.、Sarmah, A.、Nath, P. 生物医学用途向けに画像処理能力を強化した 3D プリントスマートフォン顕微鏡システムの設計。Ｊ．Ｍｉｃｒｏｓｃ． 276、13–20 (2019)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Banik, S.、Mahato, KK、Antonini, A.、Mazumder, N. ポータブルスマートフォンベースの画像デバイスの開発と特性評価。 Microsc Res Tech 83、1336–1344 (2020)。

論文 PubMed Google Scholar

フィリップス、ZF 他。ドーム型 LED アレイを備えたモバイル顕微鏡でのマルチコントラストイメージングとデジタルリフォーカス。 PLoS ONE 10、e0124938 (2015)。

記事 PubMed PubMed Central Google Scholar

Bornhorst, J.、Nustede, EJ & Fudickar, S. C. elegans の大量監視 - スマートフォンベースの DIY 顕微鏡と線虫検出のための機械学習ベースのアプローチ。センサー (バーゼル) 19、1468 (2019)。

論文 ADS PubMed Google Scholar

Di Febo, R.、Casas, L.、Antonini, A. スマートフォンベースの岩石顕微鏡。マイクロスク。解像度技術。 84、1414–1421 (2021)。

論文 PubMed Google Scholar

Hughes, AN & Appel, B.希突起膠細胞は、ミエリン鞘形成を調節するシナプスタンパク質を発現します。ナット。共通。 10、4125–4215 (2019)。

論文 ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

シンデリン、J.ら。フィジー: 生物学的画像解析のためのオープンソースプラットフォーム。ナット。メソッド 9、676–682 (2012)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Yap、YG & Camm、AJ 抗ヒスタミン薬の現在の心臓の安全性状況。クリン。経験値アレルギー 29(補足 1)、15–24 (1999)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Suessbrrich, H.、Waldegger, S.、Lang, F. & Busch, AE ヒスタミン受容体拮抗薬テルフェナジンおよびアステミゾールによるアフリカツメガエル卵母細胞で発現する HERG チャネルの遮断。 FEBSレター。 385、77–80 (1996)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Langheinrich, U.、Vacun, G. & Wagner, T. ゼブラフィッシュの胚は、HERG のオルソログを発現し、重度の不整脈を誘発する一連の QT 延長薬に対して感受性があります。有毒。応用薬理学。 193、370–382 (2003)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

NGSS リードステート。次世代科学基準: 州向け、州別。 National Academies Press https://www.nextgenscience.org/ (2022)。

Borla, MA、Palecek, B.、Budick, S. & O'Malley, DM ゼブラフィッシュ幼虫による獲物の捕獲: 軸方向の運動制御が微細であることの証拠。 Brain Behav Evol 60、207–229 (2002)。

論文 PubMed Google Scholar

Bianco、IH、Kampff、AR、Engert、F. ゼブラフィッシュ幼生における単純な視覚刺激によって引き起こされる獲物捕獲行動。フロント。システム。神経科学。 5、101（2011）。

記事 PubMed PubMed Central Google Scholar

Liu, Y.、Rollins, AM、Levenson, RM、Feredouni, F. & Jenkins, MW Pocket MUSE: スマートフォンを使用した、手頃な価格の多用途かつ高性能の蛍光顕微鏡。共通。バイオル。 4、334–414 (2021)。

論文 CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Sung、Y.、Campa、F.、Shih、W.-C. オープンソースのDIYマルチカラー蛍光スマートフォン顕微鏡。バイオメッド。オプション。エクスプレス 8、5075 ～ 5086 (2017)。

論文 CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

魏、Ｑら。プラズモニクスにより強化されたスマートフォン蛍光顕微鏡。科学。議員第 7 号、2124–2210 (2017)。

論文 ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Dai、B.ら。ポータブル蛍光顕微鏡用のカラー複合レンズ。光科学。応用 8、75–13 (2019)。

論文 ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

ピエレット、C.ら。 InSciEd out を通じて学生の科学能力を向上させます。ゼブラフィッシュ 9、155–168 (2012)。

記事 PubMed PubMed Central Google Scholar

Yang, J.、LaBounty, TJ、Ekker, SC & Pierret, C. 科学者である学生と科学者になる学生: 新しい科学教育パートナーシップにおける成功の評価。パルグレイブコミューン。 2、1–9 (2016)。

記事 Google Scholar

Shuda, JR、Butler, VG、Vary, R. & Farber, SA プロジェクト BioEYES:幼稚園から高校までの生徒と教師のための、アクセス可能な生徒主導の科学。 PLoSバイオル。 14、e2000520 (2016)。

記事 PubMed PubMed Central Google Scholar

フリーマン、Ｓ．ら。アクティブラーニングは、科学、工学、数学における生徒の成績を向上させます。 PNAS 111、8410–8415 (2014)。

論文 ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Bauerle、C. et al. 学部生物学教育におけるビジョンと変化: 行動への呼びかけ。米国科学振興協会 https://visionandchange.orgfinalreport (2021)。

Sarmah, S. & Marrs, JA 心臓の発達と機能に対する環境有害物質の影響を評価するための脊椎動物モデルシステムとしてのゼブラフィッシュ。 Int J Mol Sci 17、2123 (2016)。

記事 PubMed PubMed Central Google Scholar

Roy, NM、Ochs, J.、Zambrzycka, E. & Anderson, A. グリホサートは、ダニオ・レリオにおいて心血管毒性を誘発します。環境。有毒。薬理学。 46、292–300 (2016)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

イェクティ、アパ、スー、H.-J. & ワン、W.-D. ゼブラフィッシュ (ダニオ・レリオ) 胚の発育に対するパクロブトラゾールの影響。ゼブラフィッシュ 11、1-9。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Sarmah, S. & Marrs, JA ゼブラフィッシュにおける個別の心原性イベント中のエタノール曝露後の複合心臓欠陥: 葉酸による予防。開発者ディン。 242、1184–1201 (2013)。

論文 CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Palpant, NJ、Hofsteen, P.、Pabon, L.、Reinecke, H. & Murry, CE ゼブラフィッシュおよびヒト胚性幹細胞の心臓の発達は、タバコや電子タバコへの曝露によって阻害されます。 PLoS ONE 10、e0126259 (2015)。

記事 PubMed PubMed Central Google Scholar

Ouyang, W.、Mueller, F.、Hjelmare, M.、Lundberg, E. & Zimmer, C. ImJoy: 深層学習時代のオープンソースの計算プラットフォーム。ナット。方法 16、1199–1200 (2019)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

Das, S. 米国の携帯電話ブランドトップ 10: 最も売れているスマートフォンブランド。携帯電話の修理 www.mobilecellphonerepairing.com/top-10-mobile-phone-brands-in-usa.html (2022)。

Lin, Y. 米国のスマートフォン市場シェア。オベルロ https://www.oberlo.com/statistics/us-smartphone-market-share (2022)。

アメリカ合衆国のモバイルオペレーティングシステム市場シェア。 StatCounter グローバル統計 https://gs.statcounter.com/os-market-share/mobile/united-states-of-america (2022)。

Jaadane, I. et al. 市販の発光ダイオード (LED) によって引き起こされる網膜損傷。フリーラジカル。バイオル。医学。 84、373–384 (2015)。

論文 CAS PubMed Google Scholar

LED コンポーネントによる目の安全性。 Cree LED https://assets.cree-led.com/a/da/x/XLamp-Eye-Safety.pdf (2022)。

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技術支援をしていただいた Erika Vail (ウィノナ州立大学)、アドバイスと機器の共有をいただいた Carl Ferkinhoff (Winona State University)、Andrew Ferstl (Winona State University)、そして有益なフィードバックをいただいた Amblynn Reisetter (Winona Public Schools) に感謝いたします。この研究は、NSF キャリア賞 IOS-1845603 (JHH) およびヘザーネルソンに対するウィノナ州立大学財団特別プロジェクト賞 251.0342 によって支援されました。

ウィノナ州立大学生物学部、ウィノナ、ミネソタ州、米国

マディソン・A・シェーファー、ヘザー・N・ネルソン、ジョン・L・バトラム、ジェームズ・R・グロンセス、ジェイコブ・H・ハインズ

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JHH と HNN がこのプロジェクトを発案しました。 MAS、JHH、JLB、JRG が実験を実施しました。 JHH と MAS が原稿を書きました。著者全員が原稿をレビューしました。

ジェイコブ・H・ハインズへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

補足ビデオ1.

補足ビデオ2.

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転載と許可

シェーファー、MA、ネルソン、HN、ブトルム、JL 他研究、ライフサイエンス教育、STEM 支援向けの低価格スマートフォン蛍光顕微鏡。 Sci Rep 13、2722 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-29182-y

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受信日: 2022 年 8 月 26 日

受理日: 2023 年 1 月 31 日

公開日: 2023 年 3 月 9 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-29182-y

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