Hastalık Teşhis için Taşınabilir Görüntüleme ve Analiz ile birleştiğinde Manyetik Levitasyonunun

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

Burada, bir teknoloji platformu ve hastalık için bir gösterge olarak hastanın hücrelerinin yoğunluğu dağılımını analiz için otomatik görüntüleme ve analiz ile birleştiğinde manyetik kaldırma kullanan bir teknik sunuyoruz. yoğunluk tabanlı sitometri analizi için bu çok yönlü yaklaşım sonuçta hastalık teşhis bir dizi uygulanabilir. Ancak, sırayla nokta-bakım testi ile uyumlu olacak şekilde ve gelişmekte olan ülkelerde kullanmak, teknik düşük maliyet, taşınabilirlik ve kullanılabilirlik şartını yerine getirmelidir. Cihaz ve sarf malzemeleri kolayca düşük maliyetle elde edilmelidir. numune hazırlama, basit olmalı, analiz kullanıcı girişi veya yorumlanması için asgari gereksinimleri ile otomatik olmalıdır ve sonuçları hızlı bir şekilde iade edilmelidir. Bundan başka, cihaz klinik hem de gelişmekte olan ülkelerde yararlı olduğu kompakt ve taşınabilir olmalıdır. Böylece, nokta-bakım uyumlu technol manyetik olarak kaldırılmasının kullanmak için bir cihaz ve metod geliştirdikbağlantı otomatik görüntüleme ve görüntü analizi ile ogy hastanın hücrelerinin bir nüfus yoğunluğu dağılımı ile ilgili sonuçları döndürmek için.

Nokta-bakım teknolojileri mevcut klinik laboratuvar test prosedürleri üzerinde kayda değer bir avantaj sunuyoruz. mevcut teknoloji bir klinisyen tarafından sahip olunan çok pahalı ya da sağlık personeli tarafından yürütülecek çok karmaşık. Bu işlemlerin çoğu eğitimli bir teknisyen tarafından yapılmalıdır emek-yoğun protokolleri gerektirir. Bu nedenlerle, bu tür kan veya idrar gibi hasta numuneleri genellikle testin sonuçlarını almak için doktor birkaç gün sürebilir klinik test için bir uzaktan, merkezi test laboratuarı, transfer doktorun ofisinde toplanır. Bu (sigorta ödeyenler üzerinde bir mali yük neden) Bu test çok pahalı ve verimsiz hale getirir, bazı durumlarda tedavi sırasında gecikmelere veya komplikasyonlara neden, ve daha fazla sayıda kılardüşük kaynak ayarları ve gelişmekte olan ülkelerde erişilemez teşhis.

Burada, gömülü görüntüleme ve işleme (Şekil 1) ve akıllı telefon-uyumlu bir cihaza (Şekil 2) ile bir cihaz hem de otomatik görüntüleme ve analiz ile birleştiğinde bir manyetik kaldırma tekniği sunuyoruz. Bu manyetik kaldırma tabanlı aygıtlar potansiyele sahip bir geniş uygulanabilir platform teknolojisi farklı tıbbi teşhis uygulamaları bir dizi uygulanacak temsil etmektedir. Manyetik kuvvet ve kaldırma ^{kuvveti, 1, 2, 3:} iki kuvvet arasında bir denge göre bir manyetik kaldırma yaklaşımı çalışır. bir tanecik, bir paramanyetik bir ortam içinde süspansiyon haline getirilmiş ve iki Magn arasındaki merkez hattına doğru yönde parçacık bir manyetik kuvvet etki, birbirine bakan kutbu olan iki mıknatıs tarafından üretilen manyetik alana yerleştirildiğinde ets. kaldırma kuvveti süspansiyon ortamı ile karşılaştırıldığında partikül bağıl yoğunluk neden olur ve, çevreleyen ortamda daha yoğun parçacıklar halinde az orta daha yoğun ve aşağı doğru parçacık halinde yukarı doğru olan almaktadır. Bu iki gücün dayanarak, parçacıklar bu iki kuvvetleri dengeleyen alanında bir denge kaldırma pozisyonu ulaşacak; Bu pozisyon, doğrudan daha az yoğun parçacıklar daha alanında düşük levitating yoğun parçacıklar parçacık yoğunluğu ile ilgilidir. Bir görüntüleme modülü ya yerleşik bir akıllı telefon makinesi ^{4, 5, 6} ya da büyütme merceğinin ^{7, 8} ile donatılmış bağımsız optik bileşenlerin, parçacık pozisyonları görselleştirmek için kullanılmaktadır. Görüntü işleme, ya bir akıllı telefon uygulaması ile ^{4, 5,}= "xref"> 6 veya dahili bir veri işleme ünitesi ^{7, 8,} daha sonra, bu nedenle, nüfus yoğunluğu dağılımı dağılımını ölçmek ve çekilen görüntülerin işler. Bu mililitre başına ilgi sadece birkaç partiküllerle gibi daha büyük bir numune (analiz etmek için, akışı, parçacıklar olarak kaldırılan doğrudan cihazın içine entegre edilmiş ve görüntüleme bölgesi boyunca (Şekil 2) geçerken analiz edilebilir.

Şekil 1: Kendi kendine yeten Manyetik Levitasyonunun Platformu. (A) bir görüntü ekranı olan bir manyetik odaklama modülü, görüntüleme bileşenleri (bir ışık yayan diyot (LED), bir optik mercek ve bir kamera detektörü) ve bir işlem ünitesi içeren kompakt bir manyetik kaldırma cihazı. (B) cro Manyetik alan şiddetiNumune eklenir mıknatıslar arasındaki alanın ss bölüm. alan gücü mıknatıslar yüzeyinde büyük olan ve aralarında merkez de sıfırdır. (C) Parçacıklar, örneğin hücreler gibi, manyetik alan deneyimi çeşitli kuvvetler içinde: manyetikler arasında merkez doğru manyetik kuvvet (F _m), büyüklüğü ile parçacığın pozisyonuna göre değişen; süspanse edici ortam o göreceli parçacık yoğunluğuna bağlıdır yerçekimi kuvveti (F _g ') ve partikül hareketi direnen bir sürtünme kuvveti (F _d). Yenilmez gelen izni ile, çoğaltılamaz, vd. ⁸ Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

incirure 2: Smartphone uyumlu Akış destekli Manyetik Levitasyonunun Platformu. (A – c) Ön (a) sırt, yan (b) ve (c) manyetik kaldırma cihazı (d) cihazın bileşenleri şunlardır görüşleri: 1) Manyetik kaldırma modülü, sürekli mıknatıslar, bir büyüteç dahil, ve LED ve ışık difüzörü, bir mikrodenetleyici, pompa sürücü ve Bluetooth alıcısı da dahil olmak üzere 2) akıllı telefon kılıfı, 3) elektronik, 4) mikro pompa tutucu, 5) ayarlanabilir delik, 6) atık tüp tutucu, 7) pil tutucu, 8 ) örnek tutucu, 9) çift amaçlı standı ve kapak. (E) manyetik alan sayesinde numunenin pompalama gösteren şematik akış. (F) alan üzerinden pompalanan farklı yoğunluktaki parçacıklar hale nasıl gösteren manyetik kaldırma modülü, kesiti; daha az gibi Parçacık 1, olarak yoğun parçacıklar, daha yüksek bir kaldırma yüksekliği t dengelenmesi olacakBöyle Parçacık 2. olarak han yoğun parçacıklar, vd Amin, gelen izni ile, çoğaltılmıştır. ¹ Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Bu sistemde yoğunluk dağılım analizi için herhangi bir numunenin kullanılması için asgari gereksinimler hücreleri ya da yaklaşık olarak 5 um'den daha büyük ve yaklaşık 250 um (görüntüleme ve görüntü işleme için) boyutu daha düşük parçacıklar ve onun uyumluluğu bir süspansiyonunu elde etmek için yeteneği, burada kullanılan gadobutrol gibi para-manyetik bir solüsyon çözelti içinde karıştırılması. Hastalık teşhis için uyumlu uygulamalar, sağlıklı kontrollere göre bir hastalık taşırken doğal değiştirilmiş bir yoğunluğa sahip olan (I) 'in ilgili hücreler olanlar, (ii) bir yoğunluğa değişikliği bir reaktif ya da eklenmesi ile hücre içinde indüklenebilir içerir kısa bir alternatif tedavicubation süresi, ya da (iii) Farklı hücre tipleri tek bir numunede bulunan tanımlanmış ve doğal (ya da tedavi ile) olan benzersiz özelliklerinden yoğunluklarına sahiptir.

Orak hücre hastalığı aralıklı vazo-tıkayıcı olaylar ve kronik hemolitik anemi ⁹ neden olabilir bir kişinin kırmızı kan hücrelerinin (RBC) üretilecek olan hemoglobin, HbS, mutasyona uğramış bir biçimini, neden bir genetik bozukluktur. Bu hemoglobin izoelektrik son derece hassas ama onlar nokta-bakım ayarları ile uyumsuz olduğundan klinik test laboratuarı yapılmalıdır, Yüksek Performanslı Sıvı Kromatografisi (HPLC) fraksiyon ya da hemoglobin elektroforezi odaklama kullanılarak teşhis edilir. Orak hücre hastalığı için Çözünürlük ve kağıt bazlı testler önerilmiştir, ancak genellikle sübjektif kullanıcı yorumuna ve doğrulayıcı testler gerektirir edilmiştir. Burada, RB daha yüksek bir yoğunluğa ulaşmak, hangi orak eritrositlerde tanımlamak için bir yoğunluk tabanlı bir yaklaşım kullanırOrak hücre hastalığı olmayan insanlardan Cs. Mekanizma, deoksijene koşulları ^{10, 11, 12, 13} yaşın altındaki orak hücreli anemi eritrositlerde RBC su kaybına yol açar hemoglobin, HbS mutasyona uğramış formu polimerizasyonunu içerir.

Beyaz kan hücreleri (lökosit) ve eritrosit ^7: Bu yoğunluğa dayalı yaklaşım yoğunluğu temelinde farklı türde hücrelerin ayrılması için uygulanabilir. Lökosit genel yapısına enfeksiyonları mücadele sorumludur. WBC sitometri kanda bu hücrelerin sayısını ölçmek için kullanılan ve yararlı bir tanı aracı olarak hizmet vermektedir edilebilir. WBC enfeksiyonu, bağışıklık sistemi bozuklukları, ya da lösemi gösterebilir (genellikle mcL başına daha fazla 11.000 hücreleri kabul edilir) normalden yüksek sayar. WBC normal altındaki hesaplar (uL başına 3.500 hücre), otoimmün bozukluklar veya iklimlendirme kaynaklanabiliriyonları zarar veren kemik iliği. alternatif teknolojilerin aksine, burada sunulan işlem lökosit belirlenmesi amacıyla eritrositlerde veya lekeler parçalanması dayanmaz. WBC popülasyon yoğunluğu yoğunluk gradyan santrifüj ^{2, 3} ile daha önceden hesaplanan RBC nüfustan daha düşük olduğu rapor edilmiştir gibi bu hücre bazlı deney, ayırma işlemi için iki hücre türünün tek doğal yoğunlukları yararlanır.

1 dakikadan daha az gerektiren, 15 dakika ve otomatik görüntüleme ve analiz – uzak konumlarda değiştirici test ile karşılaştırıldığında, bu test, basit numune hazırlama (Şekil 3), 10 içindeki cihazda hücrelerinin ayrılması ile hızlıdır. Bu sayede, cihaz daha iyi, tıbbi kararlarını bildirmek tedavi fiziksel ve psikolojik acı hafifletmek için hemen tatbik izin ve komplikasyonlar derneğimizi riskini azaltmak için hızla sonuçları dönebilirsiniztıbbi bakım bir gecikme ile bir-. Bu teknik sayesinde minimum kullanıcı girişi veya yorumlanması ile bir sonuç döndürür basit örnek hazırlama ve otomatik görüntüleme ve analiz için yerinde klinik ortamlarda ya yapılabilir. Çünkü kalıcı numune analizi için mıknatıslar ve bir akıllı telefon veya görüntüleme ve görüntü işleme için basit elektrikli bileşenlerin ya kullanımını kullanarak basit bir yaklaşım kullanımı, cihaz yanı sıra her test maliyetleri bazı gelişmiş test prosedürleri ile karşılaştırıldığında çok az.

Protocol

Etik Açıklama: İnsan kan örnekleri içeren tüm işlemler, kurumsal düzenlemelere göre yapılmıştır. Tüm protokoller gözden ve Kurumsal Değerlendirme Kurulu tarafından onaylanmıştır. Bir bilgilendirilmiş onam tüm katılımcılar tarafından verildi. Orak Hücre Hastalığı Tanı 5 1. Numune Hazırlama, 8 Hank Dengeli Tuz Çözeltisi (HBSS) içinde gadobutrol bir 50 mM çözelti hazırlayın. ga…

Representative Results

orak hücre hastalığı tanısı için kullanılan bir tekniktir hücre yoğunluğu dağılımı analizi için, hedef hücre popülasyonunun dağılımının genişliği tespit etmektir. orak hücre hastalığı olmayan hastalardan alınan kan hücreleri öngörülebilir bir genişlik içinde sınırlı olacaktır. Orak hücre hastalığı olan hastalardan alınan hücreler hücre dağılımı bir düşüş eğikliği, daha geniş bir bölgesi boyunca dağıtılacak herhangi bir uygulam…

Discussion

Protokol çerçevesinde kritik adımlar
Bu süreçte kritik faktörler mıknatıslar düzgün hizalama içerir. mıknatıslar yerinden hale veya cihaz içinde normalden daha fazla ayrılmış, bu sonuçları etkileyebilir. İşlemin bu hata veya diğer kontrol etmek için, bir yoğunluk kontrol edilen bir parçacık, örneğin polistiren mikro-küreler olarak, zaman içinde değişim kontrol etmek için periyodik olarak kullanılabilir. Dahası, kaldırma zamanı hücreleri dengeye ulaşması için izin vermek ö…

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