Магнитной левитации В сочетании с Портативный визуализации и анализа для заболевания Диагностика

Summary

We present a magnetic levitation technique coupled with automated imaging and analysis in both a smartphone-compatible device and a device with embedded imaging and processing. This is applied to measure the density distribution of cells with two demonstrated biomedical applications: sickle cell disease diagnosis and separating white and red blood cells.

Abstract

Currently, many clinical diagnostic procedures are complex, costly, inefficient, and inaccessible to a large population in the world. The requirements for specialized equipment and trained personnel require that many diagnostic tests be performed at remote, centralized clinical laboratories. Magnetic levitation is a simple yet powerful technique and can be applied to levitate cells, which are suspended in a paramagnetic solution and placed in a magnetic field, at a position determined by equilibrium between a magnetic force and a buoyancy force. Here, we present a versatile platform technology designed for point-of-care diagnostics which uses magnetic levitation coupled to microscopic imaging and automated analysis to determine the density distribution of a patient’s cells as a useful diagnostic indicator. We present two platforms operating on this principle: (i) a smartphone-compatible version of the technology, where the built-in smartphone camera is used to image cells in the magnetic field and a smartphone application processes the images and to measures the density distribution of the cells and (ii) a self-contained version where a camera board is used to capture images and an embedded processing unit with attached thin-film-transistor (TFT) screen measures and displays the results. Demonstrated applications include: (i) measuring the altered distribution of a cell population with a disease phenotype compared to a healthy phenotype, which is applied to sickle cell disease diagnosis, and (ii) separation of different cell types based on their characteristic densities, which is applied to separate white blood cells from red blood cells for white blood cell cytometry. These applications, as well as future extensions of the essential density-based measurements enabled by this portable, user-friendly platform technology, will significantly enhance disease diagnostic capabilities at the point of care.

Introduction

Здесь мы представляем технологическую платформу и методику, которая использует магнитную левитацию в сочетании с автоматизированной обработки изображений и анализа для анализа распределения плотности клеток пациента в качестве показателя заболевания. Этот универсальный подход для цитометрии анализа плотности на основе могут в конечном счете быть применены к диапазону диагностики заболеваний. Однако для того, чтобы быть совместимым с пунктом оказания медицинской помощи тестирования и использования в развивающихся странах, методика должна удовлетворять требованиям, предъявляемым к низкой стоимости, портативности и удобства использования. Устройство и расходные материалы должны быть легко получены при низкой стоимости. Подготовка образца должна быть простой, анализ должен быть автоматизированы с минимальными требованиями для ввода или интерпретации пользователем, и результаты должны быть возвращены быстро. Кроме того, устройство должно быть компактным и портативным, чтобы быть полезным в клинических условиях, а также развивающихся стран. Таким образом, мы разработали устройство и способ для использования магнитной левитации в пункт-ухода-совместимой Technolлогии с помощью визуализации и анализа изображений сочетания автоматизированы для возврата результатов относительно распределения плотности популяции клеток пациента.

Точка оказания медицинской помощи технологии предлагают заметное преимущество по сравнению с современными клинических процедур лабораторных испытаний. Технология, доступная в настоящее время слишком дорого, чтобы принадлежать клинициста или слишком сложны, чтобы осуществляться медицинским персоналом. Многие из этих процедур требует трудоемких протоколов, которые должны быть выполнены квалифицированным специалистом. По этим причинам, образцы пациентов, такие как кровь или моча, как правило, собираются в кабинете врача затем переданы на удаленный, централизованное тестирование лаборатории для клинических испытаний, которая может занять несколько дней для врача, чтобы получить результаты теста. Это может привести к задержкам или осложнений в процессе лечения в некоторых случаях, делает это тестирование очень дорогостоящим и неэффективным (в результате чего финансовое бремя на плательщиков страховых), а в дальнейшем делает многодиагностика недоступных в условиях ограниченных ресурсов и развивающихся стран.

Здесь мы представляем магнитную технику левитации в сочетании с автоматизированной обработки изображений и анализа как устройства со встроенной визуализации и обработки (рисунок 1) и смартфон-совместимого устройства (рисунок 2). Эти магнитные устройства левитации на основе представл ют собой широко применимой технологии платформы, которая имеет потенциал, чтобы быть применены к ряду различных медицинских диагностических применений. Магнитные функции подход левитации на основе равновесия между двумя силами: магнитной силы и силы плавучести , ^{1, 2, 3.} Когда частица суспендируют в парамагнитной среде и встраивают в магнитное поле, создаваемое двумя магнитами с одноименными полюсами обращены друг к другу, магнитная сила действует на частицу в направлении к осевой линии между двумя MAGN ЭТС. Выталкивающая сила обусловлена ​​относительной плотности частицы по сравнению с суспензионной среды и вверх в случае частиц менее плотной, чем среды и вниз в случае частиц более плотных, чем окружающая среда. На основании этих двух сил, частицы достигнет положения равновесия левитации в поле, которое уравновешивает эти две силы; это положение непосредственно связано с плотностью частицы, с более плотные частицы, левитирующих ниже в поле, чем менее плотных частиц. Модуль формирования изображения, либо встроенный в смартфон камеры ^{4, 5, 6} или независимых оптических компонентов , оборудованных увеличительных линз ^{7, 8,} используются для визуализации положения частиц. Обработка изображений, либо с помощью приложения смартфон ^{4, 5,}= "Xref"> 6 или встроенный блок обработки ^{7, 8,} а затем обрабатывает захваченные изображения для количественной оценки пространственного распределения и, следовательно, распределение плотности населения. Для анализа больших проб (например, те , с помощью всего нескольких частиц , представляющих интерес на миллилитр, поток может быть встроен непосредственно в устройство таким образом, частицы левитации и анализируют , как они проходят через область изображения (рисунок 2).

Рисунок 1: Автономный магнитной левитации платформы. (А) Компактный магнитной левитации устройство , включающее магнитный модуль фокусировки, компоненты визуализации (светоизлучающий диод (LED), оптический объектив и датчик камеры), и блок обработки с экрана дисплея. (Б) напряженности магнитного поля в CROSS сечение области между магнитами, где вставлена ​​образец. Напряженность поля максимальна на поверхности магнитов и приближается к нулю при средней линии между ними. (С) частицы, такие как клетки, в опыте магнитное поле нескольких сил: магнитная сила (F _м) по направлению к средней линии между магнетизмом, с величиной определяется в зависимости от положения частицы; гравитационная сила (F _г ') , которая зависит от плотности частиц относительно что суспендирующей среды, и сила сопротивления (F _d) сопротивление движению частиц. Воспроизводится с разрешения от Yenilmez и др. ⁸ Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

инжирЮр 2: смартфон-совместимый поток при содействии магнитной левитации платформы. (А – с) Передний (а), боковой (б) и обратно (с) вид на магнитной левитации устройства (D) компоненты устройства включают в себя: 1) Магнитный модуль левитации, в том числе постоянных магнитов, увеличительных линз, и светодиод и рассеиватель света, 2) смартфон кейс, 3) электроники, в том числе микроконтроллера, привода насоса, и приемник Bluetooth, 4) держатель микро-насос, 5) регулируемое отверстие, 6) держатель трубки отходов, 7) держатель батареи, 8 ) держатель образца, 9) двойного назначения подставка и крышка. (Е) Проточная схема, показывающая накачку образца через магнитное поле. (Е) Поперечное сечение магнитного модуля левитации, показывающий , как частицы различной плотности будут выровнены , поскольку они прокачивают через поле; менее плотные частицы, такие как частицы 1, будет уравновешиваться при более высокой левитации высоты тхань более плотные частицы, такие как частицы 2. Воспроизводится с разрешения от Амина, и др. ¹ Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Минимальные требования для использования любого образца для анализа распределения плотности в этой системе включают в себя возможность получения суспензии клеток или частиц больше, чем приблизительно 5 мкм и менее приблизительно 250 мкм (для визуализации и обработки изображений) и его совместимости с смешивание в растворе парамагнитного раствора, такого как Гадобутрол, используемого здесь. Для диагностики заболевания, совместимые приложения включают в себя те, в которых (I) клетки интерес по своей природе имеют измененную плотность, когда они несут болезни по сравнению с здоровой контрольной группы, (II) изменение плотности можно индуцировать в клетке путем добавления реагента или некоторых альтернативное лечение на короткое замыканиевремя cubation, или (III) различные типы клеток выявляются в одном образце и по своей природе (или через какой – либо обработки) имеют уникальные характерные плотности.

Серповидноклеточная болезнь является генетическим расстройством вызывает мутировавший форму гемоглобина, HbS, чтобы быть произведены в красных кровяных клетках человека (RBCs), что может привести к прерывистой вазо-окклюзионные событий и хроническая гемолитическая анемия ^9. Поставлен диагноз с использованием либо гемоглобина изоэлектрического фокусировки, высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) фракционирование или электрофореза гемоглобина, которые обладают высокой точностью, но должны быть выполнены в клинической лаборатории тестирования, поскольку они несовместимы с точки зрения ухода настроек. Растворимость и бумажные тесты для серповидно-клеточной анемии были предложены, но как правило, требуют субъективную интерпретацию пользователя и подтверждающее тестирование. Здесь мы используем подход плотности на основе для выявления серп RBCs, что достичь более высокой плотности, чем РБCs от людей без серповидно-клеточной анемии. Механизм включает полимеризацию мутантной формы гемоглобина, HbS, что приводит к обезвоживанию RBC в серповидных эритроцитах анемией при дезоксигенированных условиях ^{10, 11, 12, 13.}

Такой подход плотности на основе также может быть применен для разделения клеток различных типов на основе плотности: белых кровяных телец (WBCs) и эритроцитах ^7. Лейкоциты, как правило, отвечают за борьбу с инфекциями в организме. WBC в цитометрии может быть использован для количественного определения количества этих клеток в крови и служит полезным диагностическим инструментом. WBC считает выше нормы (как правило, считается более 11000 клеток на мкл) может указывать на инфекцию, нарушения иммунной системы, или лейкоз. Числа лейкоцитов ниже нормального диапазона (около 3500 клеток на мкл), может быть вызвано аутоиммунными нарушениями или Conditионы, которые повреждение костного мозга. В отличие от альтернативных технологий, процесс, представленный здесь не полагается на лизиса эритроцитов или пятен с целью выявления лейкоциты. Этот тест на основе клеток использует преимущества уникальных присущих плотностей двух типов клеток для выполнения разделения, так как плотность населения WBC, как сообщается, будет ниже , чем у населения RBC, вычисленной ранее с использованием центрифугирования в градиенте плотности ^{2, 3.}

По сравнению с альтеративного тестирования в удаленных местах, этот тест является быстрым, с простой подготовки проб (рисунок 3), разделение клеток в устройстве в течение 10 – 15 мин, и автоматизированный анализ изображений и который требует меньше чем 1 мин. Таким образом, устройство может возвращать результаты быстро, чтобы лучше информировать медицинских решений, позволяют лечение следует вводить немедленно, чтобы облегчить физическую и психологическую боль, а также снизить риск возникновения осложнений associованные с задержкой в ​​медицинской помощи. Эта техника может быть выполнена на месте либо в клинических условиях из-за простой подготовки проб и автоматизированной обработки изображений и анализа, который возвращает результат с минимальным входом или интерпретации пользователем. Из-за использования простого подхода с использованием постоянных магнитов для анализа проб и использование либо смартфона или простых электрических компонентов для визуализации и обработки изображений, устройство, а также затраты на-теста являются минимальными по сравнению с некоторыми сложными процедурами тестирования.

Protocol

Этическое Заявление: Все процедуры, связанные образцы крови человека были проведены в соответствии с институциональными нормами. Все протоколы были рассмотрены и одобрены Советом по рассмотрению Institutional. Информированное согласие было дано всеми участниками. 1. Подготов…

Representative Results

Для анализа распределения плотности клеток, которая является метод используется для диагностики серповидно-клеточной болезни, цель состоит в том, чтобы определить ширину распределения популяции клеток. Клетки крови у пациентов без серповидно-клеточной анемии будет…

Discussion

Критические шаги в рамках Протокола
Критические факторы в этом процессе, включают надлежащее выравнивание магнитов. Если магниты сместиться или разделены больше, чем обычно в пределах устройства, это может повлиять на результаты. Для контроля за этой ошибки или других в процессе, ?…

Materials

Gadavist (Bayer)	Jefferson Medical and Imaging	2068062	Gadavist contains 1M gadobutrol, a chelate of gadolinium. We purchased 2 mL vials with 15/ca.
Square glass microcapillary tubes	Vitrocom	8270	50 mm length is sufficient
Sodium metabisulfite	Sigma-Aldrich	S9000	Chemical formula: Na2S2O5
Leica Microsystems Critoseal tube sealant	Fisher Scientific	02-676-20
Hank's Balanced Salt Solution	Sigma-Aldrich	H9269 SIGMA
Trypsin-EDTA	Sigma-Aldrich	T4049	Or other reagent as recommended for the cell type used
MICROLET 2 Adjustable Lancing Device	Walgreens	246567	Any lancing device is acceptable when used according to biosafety protocols
Microlet Lancets	Walgreens	667474	Must be dispoable and not reused
Hausser Bright-Line Phase Hemacytometer	Fisher Scientific	02-671-6	Or any preferred method for cell counting
ACK Lysing Buffer	ThermoFisher	A1049201