Ridotto gravità ambiente hardware Dimostrazioni di un prototipo miniaturizzato Citofluorimetro e Companion Microfluidic tecnologia di miscelazione
Summary
Diagnostica del sangue di volo spaziale hanno bisogno di innovazione. Poche manifestazioni sono stati pubblicati illustrando in volo, tecnologia diagnostica sanitaria ridotta gravità. Qui vi presentiamo un metodo per la costruzione e l'esercizio di un impianto parabolica test di volo di un prototipo di design point-of-care citometria a flusso, con componenti e strategie di preparazione adattabili ad altre impostazioni.
Abstract
Fino a poco tempo, i campioni di sangue sono stati raccolti astronauti in volo, trasportati a terra sullo Space Shuttle, e analizzati nei laboratori terrestri. Se gli esseri umani devono viaggiare oltre l'orbita terrestre bassa, una transizione verso lo spazio-ready, point-of-care è richiesto (POC) test. Tale test deve essere completo, facile da eseguire in un ambiente a gravità ridotta, e non influenzata dalle sollecitazioni di lancio e il volo spaziale. Innumerevoli dispositivi POC sono stati sviluppati per imitare controparti scala di laboratorio, ma la maggior parte hanno le applicazioni strette e pochi hanno l'uso dimostrabile in un ambiente a gravità ridotta in volo. In realtà, dimostrazioni di diagnostica biomedica in gravità ridotta sono limitati del tutto, rendendo la scelta dei componenti e di alcuni problemi logistici difficile avvicinarsi quando si cerca di testare nuove tecnologie. Per contribuire a colmare il vuoto, vi presentiamo un metodo modulare per la costruzione e il funzionamento di un dispositivo diagnostico prototipo di sangue e il suo p associatoarabolic banco di prova di volo che soddisfano gli standard per prove di volo a bordo di un volo parabolico, aerei ridotta gravità. Il metodo si concentra sulla prima assemblea rig per in-volo, test ridotta gravità di un citofluorimetro e un compagno microfluidica chip di miscelazione. I componenti sono adattabili ad altri disegni e alcuni componenti personalizzati, come ad esempio una pala campione microvolumi e micromixer possono essere di particolare interesse. Il metodo quindi attenzione si sposta alla preparazione del volo, offrendo linee guida e suggerimenti per la preparazione per un test di volo di successo per quanto riguarda la formazione degli utenti, lo sviluppo di una procedura operativa standard (SOP), e altre questioni. Infine, sono descritti in volo procedure sperimentali specifiche per le nostre manifestazioni.
Introduction
L'inadeguatezza della diagnostica attuali di salute spazio-ready presenta un fattore limitante per una più profonda esplorazione spaziale con equipaggio. Diagnostica devono essere completo, facile da usare in gravità ridotta, e relativamente inalterata alle sollecitazioni di lancio e il volo spaziale (ad esempio, g-forze elevate, vibrazioni, radiazioni, sbalzi di temperatura, e pressione cabina modifiche). Gli sviluppi nei test point-of-care (POCT) possono tradursi in soluzioni efficaci volo spaziale attraverso l'uso di campioni dei pazienti più piccoli (ad esempio, una puntura dito), fluidica più semplici e più piccole (ad esempio, microfluidica), e ridotto fabbisogno di energia elettrica, tra l'altro vantaggi. Citometria a flusso è un approccio interessante per in-spazio POC causa della ampia utilità della tecnologia, compresa verso conteggio delle cellule e biomarker quantificazione, nonché un significativo potenziale miniaturizzazione. Spazio rilevante Precedente flusso citometri includono il 'effic imballaggio nucleareiency '(NPE), strumento utilizzato fluorescenza simultanea ad arco lampada indotta e volume elettronico (Coulter volume) di misura 1-4, un relativamente piccolo flusso da banco citometro che rappresenta la' prima generazione di flusso in tempo reale dei dati durante la citometria a gravità zero '5, un 'microflusso guaina citometro' in grado di globuli bianchi (WBC) conta differenziale a 4 e 5 parti utilizzando pretrattato 5 ml campioni di sangue intero 6-9, e 'in fibra ottica a base di' citofluorimetro recentemente testato a bordo in International Stazione Spaziale 10.
Valutare tecnologia diagnostica per le applicazioni spaziali potenziali viene in genere eseguita aerei ridotta gravità che utilizzano una traiettoria di volo di circa parabolica per simulare un livello prescelto di assenza di peso (ad esempio, a gravità zero, marziano-gravità) 11 a bordo. La valutazione è impegnativo, perché opportunità di volo sono limitati, repetbrevi finestre itive di microgravità può rendere difficile la valutazione delle metodologie o processi che normalmente richiedono periodi ininterrotti più lunghi di 20-40 sec, e le dimostrazioni possono richiedere ulteriori attrezzature non facilmente utilizzato in volo 12-15. Inoltre, precedenti dimostrazioni di tecnologie (IVD) in vitro diagnostici usati in, o progettati per, gravità ridotta sono limitati e molto lavoro resta inedito. Oltre ai citofluorimetri sopra, altri IVD-tecnologie spaziali rilevanti descritti in letteratura comprendono un dispositivo complesso colorazione sangue per applicazioni immunofenotipizzazione 16, un sistema automatico fotocamera basata citometro 12, un analizzatore clinico palmare per potenziometria integrato, amperometria e conductometry 12,17, un dispositivo di microfluidica 'T-sensor' per la quantificazione degli analiti che si basa sulla miscelazione basato sulla diffusione e la separazione 18, e la rotazione di un 'laboratorio su un CD' piattaforma diagnostica 19,20. I nuovi arrivati alla sperimentazione gravità ridotta possono anche guardare a dimostrazioni di volo parabolico estranei alla diagnostica in vitro quando si tenta di rendere possibile la valutazione del dispositivo (o capire ciò che è possibile). Dimostrazioni di altri precedenti esperimenti medici o biologici con la preparazione del volo, le strategie in volo, e le apparecchiature di prova di volo ben documentata sono incluse nella tabella 1 15, 21-35. Questi possono essere informativo a causa dell'inclusione di manuale in volo compiti, l'uso di attrezzature specializzate e di contenimento sperimentale.
| Categoria | Esempi |
| Assistenza medica di emergenza | L'intubazione tracheale (laringoscopio-guidato, su Manika) 21, supporto vitale cardiaco (suini anestetizzati) 22 |
| Cure chirurgiche | La chirurgia laparoscopica (video simulato 23, in maiali anestetizzati 24,25) |
| Medical imaging o la valutazione fisiologia | Ultrasuoni con camera a pressione negativa inferiore del corpo 26, Doppler flussometro (montato la testa) 27, di controllo della pressione venosa centrale 28 |
| Attrezzature biologico Specialized | Lettore di micropiastre (e vano portaoggetti in volo) 29, sistema di controllo della temperatura per gli esperimenti del ciclo cellulare 30, microscopio (campo chiaro, contrasto di fase, e multi-canale in grado di fluorescenza) 15, capillareUnità di elettroforesi accoppiato al video microscopio 31 |
| Altro | Raccolta delle piante con una pinza 32, contenuta ratti 33,34 e pesce 35 per l'osservazione |
Tabella 1. Antenna volo dimostrativo Esempi con ben descritto Metodi / Esperimenti
Per espandere su esempi precedenti e di fornire una maggiore comprensione di successo dimostrazioni in volo, vi presentiamo una procedura modulare e adattabile per la costruzione e il funzionamento di un prototipo citofluorimetro con relativa tecnologia di miscelazione microfluidica come parte di un test di volo parabolico rig. L'impianto di perforazione permette dimostrazioni di caricamento del campione, la miscelazione microfluidica, e rivelazione di particelle fluorescenti, ed è stato testato a bordo 2010 NASA agevolato l'accesso allo spazio ambiente (FAST) flig parabolicahts, volato dal 29 settembre al 1 ° ottobre 2010. Queste dimostrazioni tirare dal inizio, metà e fine, rispettivamente, di un flusso di lavoro dispositivo di potenziale in cui campioni di sangue dal polpastrello dimensioni sono caricati, diluiti o miscelati con i reagenti, e analizzati con ottica rilevamento. Scalare un citofluorimetro in un'unità compatta richiede innovazione e un'attenta selezione parte. Personalizzato e componenti off-the-shelf sono usati qui, scelto come migliori approssimazioni iniziali di scelte componente finale, e possono essere adattabili ai disegni di altri innovatori. In seguito una descrizione dei componenti scelte prototipo configurazione è descritto su una struttura di supporto che funge da scheletro per assemblaggio rig. Componenti prototipi vengono assegnati punti, fissati e accompagnati da componenti aggiuntivi necessari per la sperimentazione di successo. L'attenzione si sposta quindi a procedure più astratte che coinvolgono procedure operative standard (SOP) lo sviluppo, la formazione, e altri aspetti logistici. Infine, le procedure specifiche per dimostrazione sonodescritto. Le strategie qui descritte e le scelte di elementi portanti di rig (ad esempio, il microscopio, scatola acrilica, ecc), anche se attuato qui per prototipo specifico, parlano le questioni generali e le sfide rilevanti per la verifica qualsiasi apparecchiatura diagnostica di sangue in un ambiente a gravità ridotta .
Nel 2010 Voli, due lunare-gravità (il raggiungimento di circa 1/6 della gravità terrestre) e due voli di micro-gravità sono stati programmati in 4 giorni, anche se in ultima analisi, questi sono stati riprogrammati in 3 giorni. Le dimostrazioni sono state effettuate a bordo di una modifica gestite da privati, narrow-body jet aereo di linea 36. Ogni volo, a condizione 30-40 parabole, ciascuna producendo circa 20 sec di alta gravità (circa 1,8 g), seguita da 20-25 secondi di condizioni di ridotta gravità. Dopo mezzo delle parabole furono eseguiti, il piano in pausa per un periodo di circa 5-10 minuti in volo livellato per consentire il piano di girarsi e tornare verso il luogo di destinazione, mentre performing il resto delle parabole.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il metodo qui descritto ha permesso efficace dimostrazione delle principali componenti della tecnologia (campione di carico, miscelazione microfluidica, e di rivelazione ottica) nel corso del 2010 voli parabolici veloce, con risultati paragonabili a prove a terra. Formazione e SOP metodi qui descritti sono stati particolarmente efficaci, e hanno contribuito a illuminare strumenti e delle altre 'stampelle' invocata per le dimostrazioni pratiche che non sarebbero disponibili a bordo del volo parabolico.
<p cla…Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Sviluppo hardware è stato sostenuto dalla NASA SBIR Contratti NNX09CA44C e NNX10CA97C. L'analisi dei dati per il blocco e il campione del caricatore dimostrazioni ottiche è stato sostenuto dalla NASA Fase III Contratto NNC11CA04C. La raccolta del sangue umano è stata effettuata utilizzando la NASA IRB protocollo # SA-10-008. Software di controllo / acquisizione fornito attraverso il National Instruments Medical Device Grant Program. Stampi per i microchip sono stati effettuati presso l'impianto di microfabbricazione Johns Hopkins e il Centro di Harvard per Nanoscale Systems. Otto J. Briner e Luca Jaffe (DNA Istituto di Medicina) aiutati nel montaggio del rack durante l'estate del 2010. La NASA personale di volo di video riprese video fornito durante la settimana di volo. Carlos Barrientos (DNA Medicine Institute) ha fornito assistenza fotografia e la figura. Un ringraziamento speciale al agevolato accesso allo spazio dell'ambiente per Technology 2010 Programma, la gravità Ufficio NASA ridotto, l'adeguamento umana e contromisure Division, NASA Glenn Research Center,ZIN Technologies, e il programma di ricerca umano.
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| Micro air pump | Smart Products, Inc. | AP-2P02A | Max pressure = 6.76 psi; 1.301” x 0.394” x 0.650” , 0.28 oz (8 g); available direct from Smart Products |
| Differential pressure sensor | Honeywell International, Inc. | ASDX015D44R | Range of 0-15psi; 0.974" x 0.550" x 0.440", 0.09 oz (2.565 g); suppliers include Digi-Key and Mouser Electronics |
| Rigid plastic vial (small size) | Loritz & Associates, Inc. | 55-05 | Polystyrene; ID 0.81" (20.6 mm), IH 2.06" (52.4 mm); available direct from LA Container Inc.; similar product available from Dynalab Corp. |
| Rigid plastic vial (larger size) | Loritz & Associates, Inc. | 55-140 | Polystyrene; ID 1.88" (47.6 mm), IH 3.31" (84.1 mm); available direct from LA Container Inc.; similar product available from Dynalab Corp. |
| latex examination gloves | dynarex corporation | 2337 | Middle finger used for latex diaphragm in fluid source vial. Other brands (e.g., Aurelia ® Vibrant ™) acceptable. |
| Optical glue | Norland Products | NOA 88 | Low outgassing adhesive; available direct from Norland; Also available from Edmund Optics Inc. |
| 3-way solenoid valves | The LEE Company | LHDA0531115H | Gas valves, but can function with liquid; 1.29 " L, 0.28 " D. Discontinued product. Similar products available from The LEE Company. |
| Volumetric water flowmeter | OMEGA Engineering inc. | FLR-1602A | Non-contacting flow rate meter strongly preferred. We recommend SENSIRION LG16 OEM Liquid Flow Sensor for flow rates from nl/min up to 5 ml/min. |
| PCD-mini photon detector | Sensl | PCDMini-00100 | For fluorescence detection; available direct from Sensl |
| Accelerometer | Crossbow Technology, Inc. | CXL02LF3 | 3-demensional force detection. Supplied to DMI by NASA. Similar product available from Vernier Software & Technology, LLC. |
| Stereomicroscope | AmScope | SE305R-AZ-E | |
| CCD Camera | Thorlabs | DCU223C | 1024 x 768 Resolution, Color, USB 2.0; available direct from Thorlabs |
| USB and Trigger Cable (In/Out) for CCD Camera | Thorlabs | CAB-DCU-T1 | Available direct from Thorlabs |
| Microbore tubing | Saint-Gobain Corporation | AAD04103 | Tygon®; ID 0.02", OD 0.06", 500ft, 0.02" wall. Suppliers: VWR, Thermo Fisher Scientific Inc. |
| Hollow steel pins | New England Small Tube | (Custom) | 0.025" OD, 0.017" ID, 0.500” L, stainless steel tube, type 304, cut, deburred, passivated; enable microbore tubing connections, chip tubing connections |
| Slide clamp | World Precision Instruments, Inc. | 14042 | Available direct from World Precision Instruments |
| Leur adaptor pieces | World Precision Instruments, Inc. | 14011 | Available direct from World Precision Instruments |
| Silicon wafer | Addison Engineering, Inc. | 6" diameter; for SU-8 mold fabrication | |
| Polydimethylsiloxane (PDMS) elastomer base | Dow Corning | 3097366-1004 | Supplier: Global Industrial SLP, LLC |
| Polydimethylsiloxane (PDMS) elastomer curing agent | Dow Corning | 3097358-1004 | Supplier: Global Industrial SLP, LLC |
| Needle (23 gauge), bevel tip | Terumo Medical Corporation | NN-2338R | Ultra thin wall; 23G x 1.5"; 22G also usable; suppliers: Careforde, Inc., Port City Medical |
| Dispensing needle (23 gauge), blunt tip | CML Supply | 901-23-100 | 23Gx 1"; available from CML Supply |
| Rotary tool | Robert Bosch Tool Corporation | 1100-01 | Dremel® 1100-01 Stylus™ |
| Cover glass | Thermo Fisher Scientific, Inc. | 12-518-105E | Gold Seal™ noncorrosive borosilicate glass; for PDMS chip cover; 24×60 mm; available from Thermo Fisher Scientific, Inc. |
| Vacuum pump | Mountain | MTN8407 | For degassing PDMS; supplier: Ryder System, Inc. |
| Vacuum chamber | Thermo Fisher Scientific, Inc. | 5311-0250 | Nalgene™ Transparent Polycarbonate; available from Thermo Fisher Scientific, Inc. |
| Plasma cleaner | Harrick Plasma | PDC-32G | |
| Hand magnifier | Mitutoyo | 183-131 | Use in reverse direction to enable viewing at ~15". |
| Ethanol | CAROLINA | 861283 | For chip cleaning. Dilute to 70% using millipore water. |
| Water purification system | Thermo Fisher Scientific, Inc. | D11901 | Available direct from Thermo Fisher Scientific, Inc. |
| Optomechanical translation mounts | Thorlabs | K6X | 6-Axis Kinematic Optic Mount; discontinued product; new product (K6XS) available direct from Thorlabs |
| Laptop | Hewlett-Packard | VP209AV | HP Pavilion Laptop running Windows 7 |
| Laptop tray (spring loaded) | National Products, INC. | RAM-234-3 | RAM Tough-Tray™. Can accommodate 10 to 16 inch wide laptops. |
| USB splitter | Connectland Technology Limited | 3401167 | |
| USB Data Acquisition Cards (8 analog input, 12 digital I/O) | National Instruments | NI USB-6008 | 12-Bit, 10 kS/s Low-Cost Multifunction DAQ |
| USB Data Acquisition Cards (16 analog input, 32 digital I/O) | National Instruments | NI USB-6216 | 16-Bit, 400 kS/s Isolated M Series MIO DAQ, Bus-Powered |
| Control/acquisition Software | National Instruments | LabVIEW 2009 | Custom coded National Instruments (NI) LabVIEW |
| 3D Solid Modeling Software | Dassault Systèmes SolidWorks Corp. | SolidWorks 2011 | |
| 2D Modeling Software | AUTODESK | AutoCAD LT 2008 | |
| Vertical equipment rack | (NASA provided) | N/A | |
| Solid aluminum optical breadboard | Thorlabs | MB2424 | 24" x 24" x 1/2", 1/4"-20 Taps; available direct from Thorlabs |
| Industrial grade steel and hardener | The J-B Weld Company | J-B Weld Steel Reinforced Epoxy Glue | |
| Micro-hematocrit capillary | Fisher Scientific | 22-362-574 | inner diamter 1.1 to 1.2 mm |
| 1 mL syringes | Henke-Sass, Wolf | 4010.200V0 | NORM-JECT®; supplier: Grainger, Inc. |
| Human red blood cells | Innovative Research | IPLA-WB3 | Tested and found negative by supplier for: HBsAg, HCV, HIV-1, HIV-2, HIV-1Ag or HIV 1-NAT, ALT, and syphilis by FDA-Approved Methods. Because no test methods can guarantee with 100% certainty the absence of an infectious agent, human derived products should be handled as suggested in the U.S. Department of Health and Human Services Manual on BIOSAFETY IN MICROBIOLOGICAL AND BIOMEDICAL LABORATORIES, FOR POTENTIALLY INFECTIOUS HUMAN SERUM OR BLOOD SPECIMENS |
| Phosphate buffered saline concentrate | P5493 | SIGMA | 10x; diluted to 1x |
| Tween | P9416 | SIGMA | TWEEN® 20 |
| Centrifuge | LW Scientific | STRAIGHT8-5K | Swing-Out 8-place Centrifuge. Available through authorized dealers. Other centrifuges available direct from LW Scientific. |
| HD video recorder | Sony | MHS-CM5 | |
| Orange fluorescent nucleic acid stain | Invitrogen | S-11364 | SYTO® 83 Orange Fluorescent Nucleic Acid Stain. Stored in DMSO solvent. Always wear reccommended Personal Protective Equipment. No special handling advice required. |
| Fluorescent counting beads | Invitrogen | MP 36950 | CountBright™ Absolute Counting Beads. Always wear reccommended Personal Protective Equipment. No special handling advice required. |
Riferimenti
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