मैग्नेटिक लेविटेशन पोर्टेबल इमेजिंग और रोग निदान के लिए विश्लेषण के साथ युग्मित
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
यहाँ, हम एक प्रौद्योगिकी मंच है और एक तकनीक है जो रोग के लिए एक संकेत के रूप में एक मरीज की कोशिकाओं के घनत्व वितरण का विश्लेषण करने के लिए चुंबकीय उत्तोलन स्वचालित इमेजिंग और विश्लेषण के साथ मिलकर उपयोग करता प्रस्तुत करते हैं। घनत्व आधारित cytometric विश्लेषण के लिए इस बहुमुखी दृष्टिकोण अंततः रोग निदान की एक श्रृंखला के लिए लागू किया जा सकता है। हालांकि, क्रम में बिंदु का ध्यान परीक्षण के साथ संगत हो सकता है और विकासशील देशों में उपयोग करने के लिए, तकनीक कम लागत, पोर्टेबिलिटी, और प्रयोज्य के लिए आवश्यकताओं को पूरा करना चाहिए। डिवाइस और उपभोग्य आसानी से एक कम कीमत पर प्राप्त किया जाना चाहिए। नमूना तैयार करने के लिए सरल होना चाहिए, विश्लेषण उपयोगकर्ता इनपुट या व्याख्या के लिए न्यूनतम आवश्यकताओं के साथ स्वचालित किया जाना चाहिए, और परिणाम जल्दी से वापस आ जाना चाहिए। इसके अलावा, इस उपकरण कॉम्पैक्ट और पोर्टेबल नैदानिक सेटिंग के साथ ही विकासशील देशों में उपयोगी होने के लिए होना चाहिए। इस प्रकार, हम बिंदु का ख्याल संगत प्रौद्योगिकी में चुंबकीय उत्तोलन का उपयोग करने के लिए एक युक्ति और विधि विकसित किया हैयुग्मन स्वचालित इमेजिंग और छवि विश्लेषण द्वारा ogy एक मरीज की कोशिकाओं की आबादी का घनत्व वितरण के संबंध में परिणाम लौटने के लिए।
प्वाइंट की देखभाल प्रौद्योगिकियों वर्तमान नैदानिक प्रयोगशाला परीक्षण प्रक्रियाओं पर एक उल्लेखनीय लाभ प्रदान करते हैं। वर्तमान में उपलब्ध प्रौद्योगिकी भी महंगा एक चिकित्सक द्वारा स्वामित्व होना या बहुत जटिल मेडिकल स्टाफ द्वारा किया जा रहा है। इन प्रक्रियाओं के कई श्रम प्रधान प्रोटोकॉल जो एक प्रशिक्षित तकनीशियन द्वारा बाहर किया जाना चाहिए की आवश्यकता है। इन कारणों के लिए, इस तरह के रक्त या मूत्र के रूप में रोगी के नमूने आम तौर पर चिकित्सक के कार्यालय तो क्लिनिकल परीक्षण के लिए एक रिमोट, केंद्रीकृत परीक्षण प्रयोगशाला है, जो चिकित्सक के लिए कई दिन लग सकते हैं परीक्षण के परिणाम प्राप्त करने के लिए हस्तांतरित में एकत्र कर रहे हैं। यह (बीमा दाताओं पर एक वित्तीय बोझ के कारण) उपचार के दौरान कुछ मामलों में देरी या जटिलताएं पैदा कर सकता है, इस परीक्षण के बहुत महंगा है और अक्षम बनाता है, और आगे कई बनाता हैकम संसाधन सेटिंग और विकासशील देशों में दुर्गम निदान।
यहाँ, हम एक चुंबकीय उत्तोलन तकनीक स्वचालित इमेजिंग और दोनों एम्बेडेड इमेजिंग और प्रसंस्करण (चित्रा 1) और एक स्मार्टफोन-संगत डिवाइस (चित्रा 2) के साथ एक डिवाइस में विश्लेषण के साथ मिलकर प्रस्तुत करते हैं। ये चुंबकीय उत्तोलन आधारित उपकरणों के एक मोटे तौर पर लागू मंच तकनीक है जो क्षमता है विभिन्न चिकित्सा नैदानिक अनुप्रयोगों की एक श्रृंखला के लिए लागू किया जा करने के लिए प्रतिनिधित्व करते हैं। एक चुंबकीय शक्ति है और एक उछाल बल 1, 2, 3: चुंबकीय उत्तोलन दृष्टिकोण दोनों सेनाओं के बीच एक संतुलन के आधार पर कार्य करता है। एक कण एक समचुंबक माध्यम में निलंबित कर दिया और दो magn के बीच centerline की ओर दिशा में कण पर एक दूसरे को, एक चुंबकीय शक्ति कृत्यों का सामना करना पड़ डंडे के साथ दो मैग्नेट द्वारा उत्पन्न एक चुंबकीय क्षेत्र में डाला जाता है टिकट। उछाल बल कण निलंबित मध्यम की तुलना के सापेक्ष घनत्व की वजह से और कणों के आसपास के माध्यम से सघन कणों के मामले में मध्यम से कम घना और नीचे के मामले में ऊपर की ओर जा रही है। इन दोनों सेनाओं के आधार पर, कणों क्षेत्र है जो इन दोनों सेनाओं संतुलन में एक संतुलन उत्तोलन स्थिति तक पहुंच जाएगा; इस स्थिति को सीधे कण के घनत्व से संबंधित है, सघन कणों कम घना कणों से क्षेत्र में कम उड़ती साथ। एक इमेजिंग मॉड्यूल, या तो एक निर्मित में स्मार्टफोन कैमरा 4, 5, 6 या स्वतंत्र ऑप्टिकल घटकों एक आवर्धक लेंस 7, 8 के साथ सुसज्जित, कण की स्थिति कल्पना करने के लिए इस्तेमाल कर रहे हैं। इमेज प्रोसेसिंग, या तो एक स्मार्टफोन आवेदन के माध्यम से 4, 5,= "xref"> 6 या एक एम्बेडेड प्रोसेसिंग यूनिट 7, 8, फिर, आबादी का घनत्व वितरण स्थानिक वितरण यों और इसलिए, के लिए कब्जा कर लिया छवियों को संसाधित करता है। आदेश में इस तरह मिली लीटर प्रति रुचि का केवल कुछ कणों के साथ उन लोगों के रूप में बड़ा नमूने (विश्लेषण करने के लिए, प्रवाह डिवाइस इस तरह के कणों उत्तोलित कर रहे हैं में सीधे एकीकृत और विश्लेषण के रूप में वे इमेजिंग क्षेत्र के माध्यम से (चित्रा 2) पारित किया जा सकता है।
चित्रा 1: घुन्ना मैग्नेटिक लेविटेशन प्लेटफार्म। (क) एक चुंबकीय ध्यान केंद्रित मॉड्यूल, इमेजिंग घटकों (एक प्रकाश उत्सर्जक डायोड (एलईडी), एक ऑप्टिकल लेंस, और एक कैमरा डिटेक्टर), और एक प्रोसेसिंग यूनिट एक डिस्प्ले स्क्रीन के साथ सहित कॉम्पैक्ट चुंबकीय उत्तोलन डिवाइस। (ख) सीआरओ में चुंबकीय क्षेत्र ताकतमैग्नेट जहां नमूना डाला जाता है के बीच क्षेत्र के SS-खंड। क्षेत्र की ताकत मैग्नेट की सतह पर सबसे बड़ा है और उन दोनों के बीच centerline पर शून्य दृष्टिकोण। (ग) के कणों, इस तरह की कोशिकाओं के रूप में, चुंबकीय क्षेत्र के अनुभव के कई बलों के भीतर: एक चुंबकीय बल (एफ एम) आकर्षणविद्या के बीच centerline की ओर, परिमाण के साथ कण की स्थिति के आधार पर बदलती; एक गुरुत्वाकर्षण बल (एफ जी '), जो कण घनत्व निलंबित मध्यम की है कि रिश्तेदार पर निर्भर करता है, और एक खींचें बल (एफ डी) कण गति विरोध। अनुमति के साथ, reproduced, Yenilmez से, एट अल। 8 यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
अंजीरUre 2: स्मार्टफोन-संगत प्रवाह की मदद से मैग्नेटिक लेविटेशन प्लेटफार्म। (एक – सी) फ्रंट (एक), पक्ष (ख), और वापस (ग) चुंबकीय उत्तोलन डिवाइस (घ) डिवाइस के घटक शामिल हैं के दृश्य: 1) मैग्नेटिक लेविटेशन मॉड्यूल, स्थायी चुंबक, एक आवर्धक लेंस सहित, और एक एलईडी और प्रकाश विसारक, 2) स्मार्टफोन के मामले में, 3) इलेक्ट्रॉनिक्स, एक microcontroller, पंप चालक, और ब्लूटूथ रिसीवर सहित 4) सूक्ष्म पंप धारक, 5) समायोज्य छिद्र, 6) अपशिष्ट ट्यूब धारक, 7) बैटरी धारक, 8 ) नमूना धारक, 9) दोहरे उद्देश्य स्टैंड और कवर। (ई) योजनाबद्ध प्रवाह, चुंबकीय क्षेत्र के माध्यम से नमूना के पंप दिखा। (च) चुंबकीय उत्तोलन मॉड्यूल, दिखा कैसे अलग घनत्व के कणों के रूप में वे क्षेत्र के माध्यम से पंप हैं पंक्ति में होगा के पार अनुभाग; कम इस तरह के कण 1, के रूप में घने कणों, एक उच्च उत्तोलन ऊंचाई टी में संतुलित करना होगाइस तरह के कण 2 के रूप में हान सघन कणों, reproduced अनुमति के साथ, अमीन, एट अल से। 1 यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।
कम से कम इस प्रणाली में घनत्व वितरण विश्लेषण के लिए किसी भी नमूने के उपयोग के लिए आवश्यकताओं कोशिकाओं या लगभग 250 माइक्रोन आकार (इमेजिंग और छवि प्रसंस्करण के लिए) की तुलना में कम लगभग 5 माइक्रोन से अधिक और कणों और के साथ अपनी संगतता के निलंबन को प्राप्त करने की क्षमता शामिल इस तरह यहां इस्तेमाल gadobutrol के रूप में एक समचुंबक समाधान का एक समाधान में मिश्रण। रोग निदान के लिए, संगत अनुप्रयोगों उन जो (i) ब्याज की कोशिकाओं में स्वाभाविक एक बदल घनत्व है जब वे स्वस्थ नियंत्रण की तुलना में एक रोग ले, (ii) घनत्व परिवर्तन एक अभिकर्मक या कुछ के अलावा द्वारा सेल में प्रेरित किया जा सकता है शामिल में एक कम करने के लिए वैकल्पिक उपचारcubation समय, या (iii) विभिन्न प्रकार की कोशिकाओं (या कुछ उपचार के माध्यम से) एक भी नमूने में पहचान की जा रही है और स्वाभाविक अनूठी विशेषता घनत्व है।
सिकल सेल रोग एक आनुवंशिक विकार हीमोग्लोबिन, HBS, एक व्यक्ति की लाल रक्त कोशिकाओं (लाल रक्त कोशिकाओं) में उत्पादन किया जा करने के लिए की एक उत्परिवर्तित रूप है, जो रुक-रुक कर vaso-पूर्णावरोधक घटनाओं और पुरानी एनीमिया 9 में परिणाम कर सकते हैं पैदा कर रहा है। यह या तो हीमोग्लोबिन समविद्युतविभव ध्यान केंद्रित, उच्च प्रदर्शन तरल क्रोमैटोग्राफी (एचपीएलसी) विभाजन, या हीमोग्लोबिन वैद्युतकणसंचलन जो बेहद सटीक हैं, लेकिन एक नैदानिक परीक्षण प्रयोगशाला में किया जाना चाहिए, क्योंकि वे बिंदु का ख्याल सेटिंग्स के साथ असंगत हैं का उपयोग कर निदान है। घुलनशीलता और सिकल सेल रोग के लिए कागज आधारित परीक्षण प्रस्तावित किया गया है, लेकिन आम तौर पर व्यक्तिपरक उपयोगकर्ता व्याख्या और पुष्टि के परीक्षण की आवश्यकता होती है। यहाँ, हम दरांती लाल रक्त कोशिकाओं की पहचान करने के लिए है, जो आरबी तुलना में एक उच्च घनत्व को पाने के लिए एक घनत्व आधारित दृष्टिकोण का उपयोगसिकल सेल रोग के बिना लोगों से सीएस। तंत्र हीमोग्लोबिन, HBS के उत्परिवर्तित रूप है, जो ऑक्सीजन रहित शर्तों 10, 11, 12, 13 के तहत सिकल सेल बीमारी लाल रक्त कोशिकाओं में आरबीसी निर्जलीकरण का कारण बनता है के polymerization शामिल है।
सफेद रक्त कोशिकाओं (WBCs) और लाल रक्त कोशिकाओं 7: यह घनत्व आधारित दृष्टिकोण भी घनत्व के आधार पर विभिन्न प्रकार की कोशिकाओं को अलग करने के लिए लागू किया जा सकता है। WBCs आम तौर पर शरीर में संक्रमण से लड़ने के लिए जिम्मेदार हैं। WBC cytometry रक्त में इन कोशिकाओं की संख्या यों इस्तेमाल किया जा सकता है और एक उपयोगी नैदानिक उपकरण के रूप में कार्य करता है। WBC उच्च मायने रखता सामान्य से (आम तौर पर μL प्रति अधिक से अधिक 11,000 से कोशिकाओं माना जाता है) के संक्रमण, प्रतिरक्षा प्रणाली के विकारों, या ल्यूकेमिया का संकेत हो सकता। WBC सामान्य श्रेणी से नीचे गिना जाता है (μL प्रति 3,500 के आसपास कोशिकाओं) autoimmune विकार या Condit की वजह से हो सकता हैआयनों जो नुकसान अस्थि मज्जा। वैकल्पिक तकनीकों के विपरीत, यहाँ प्रस्तुत प्रक्रिया आदेश WBCs की पहचान करने में लाल रक्त कोशिकाओं या दाग की सेल पर भरोसा नहीं करता। यह सेल आधारित परीक्षण, जुदाई प्रदर्शन करने के लिए दो प्रकार की कोशिकाओं का अनूठा निहित घनत्व का लाभ लेता है के रूप में WBC जनसंख्या घनत्व आरबीसी जनसंख्या के रूप में घनत्व ढाल centrifugation 2, 3 का उपयोग करते हुए पहले से गणना की तुलना में कम होने की सूचना दी गई है।
दूरस्थ स्थानों पर वैकल्पिक परीक्षण की तुलना में, इस परीक्षण के तेजी से है, सरल नमूना तैयार (चित्रा 3), 10 के भीतर डिवाइस में कोशिकाओं के विभाजन के साथ – 15 मिनट, और स्वचालित इमेजिंग और विश्लेषण जो कम से कम 1 मिनट की आवश्यकता है। इस रास्ते में, डिवाइस जल्दी परिणाम लौट सकते हैं बेहतर, चिकित्सा फैसले को सूचित उपचार शारीरिक और मानसिक दर्द को कम करने के लिए तुरंत प्रशासित किया जा करने के लिए अनुमति देते हैं, और जटिलताओं एसोसिएशन के जोखिम को कम करने के लिएचिकित्सा देखभाल में देरी से पैदा। इस तकनीक को सरल नमूना तैयार करने और स्वचालित इमेजिंग और विश्लेषण जो न्यूनतम उपयोगकर्ता इनपुट या व्याख्या के साथ एक परिणाम देता है के कारण ऑन-साइट या तो नैदानिक सेटिंग में प्रदर्शन किया जा सकता है। नमूना विश्लेषण के लिए स्थायी चुंबक और या तो एक स्मार्टफोन या इमेजिंग और छवि प्रसंस्करण के लिए सरल विद्युत उपकरणों के उपयोग का उपयोग कर एक साधारण दृष्टिकोण के उपयोग की वजह से, उपकरण के रूप में अच्छी तरह से प्रति-परीक्षण की लागत कुछ परिष्कृत परीक्षण प्रक्रियाओं की तुलना में कम कर रहे हैं।
Protocol
Representative Results
Discussion
प्रोटोकॉल के भीतर महत्वपूर्ण कदम
इस प्रक्रिया में महत्वपूर्ण कारकों में मैग्नेट के उचित संरेखण में शामिल हैं। मैग्नेट उखाड़ फेंकना हो या सामान्य से अधिक अलग डिवाइस के भीतर हैं, तो इस परिणाम को प्र?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors would like to acknowledge Dr. Matthew Heeney of Boston Children’s Hospital/Dana-Farber Cancer Institute and Dr. Farzana Pashankar of Yale-New Haven Hospital for providing sickle cell patient samples. The authors would like to thank Chu H. Yu and Ashwini Joshi for their assistance in testing these samples and compiling the data.
S.T. acknowledges the American Heart Association Scientist Development Grant (15SDG25080056) and the University of Connecticut Research Excellence Program award for financial support of this research. S.K. acknowledges that this material is based upon work supported by the National Science Foundation Graduate Research Fellowship (DGE-1247393).
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 |
Riferimenti
- Tasoglu, S., Khoory, J., Tekin, H., Thomas, C., Karnoub, A., Ghiran, I., Demirci, U. Levitational Image Cytometry with Temporal Resolution. Advanced Materials. 27 (26), 3901-3908 (2015).
- Tasoglu, S., Yu, C. H., Liadudanskaya, V., Guven, S., Migliaresi, C., Demirci, U. Magnetic Levitational Assembly for Living Material Fabrication. Advanced Healthcare Materials. 4 (10), 1469-1476 (2015).
- Tasoglu, S., Yu, C. H., Gungordu, H. I., Guven, S., Vural, T., Demirci, U. Guided and magnetic self-assembly of magnetoceptive gels. Nature Communications. 5, 4702 (2014).
- Amin, R., Knowlton, S., Yenilmez, B., Hart, A., Joshi, A., Tasoglu, S. Smart-phone Attachable, Flow-Assisted Magnetic Focusing Device. RSC Advances. 6, 93922-93931 (2016).
- Knowlton, S. M., Sencan, I., Aytar, Y., Khoory, J., Heeney, M. M., Ghiran, I. C., Tasoglu, S. Sickle Cell Detection Using a Smartphone. Sci Rep. 5, 15022 (2015).
- Knowlton, S., Yu, C. H., Jain, N., Ghiran, I. C., Tasoglu, S. Smart-Phone Based Magnetic Levitation for Measuring Densities. PLoS One. 10 (8), e0134400 (2015).
- Yenilmez, B., Knowlton, S., Tasoglu, S. Self-Contained Handheld Magnetic Platform for Point of Care Cytometry in Biological Samples . Advanced Materials Technologies. 1, 1600144 (2016).
- Yenilmez, B., Knowlton, S., Yu, C. H., Heeney, M., Tasoglu, S. Label-Free Sickle Cell Disease Diagnosis Using a Low-Cost, Handheld Platform. Adv Mat Tech. 1 (5), 1600100 (2016).
- Bender, M. A., Douthitt Seibel, G., Pagon, R. A., et al. . GeneReviews. , (1993).
- Kaul, D. K., Fabry, M. E., Windisch, P., Baez, S., Nagel, R. L. Erythrocytes in sickle cell anemia are heterogeneous in their rheological and hemodynamic characteristics. J Clin Invest. 72 (1), 22-31 (1983).
- Joiner, C. H. Gardos pathway to sickle cell therapies?. Blood. 111 (8), 3918-3919 (2008).
- Finch, J. T., Perutz, M. F., Bertles, J. F., Döbler, J. Structure of Sickled Erythrocytes and of Sickle-Cell Hemoglobin Fibers. Proc Natl Acad Sci. 70 (3), 718-722 (1973).
- Lew, V. L., Etzion, Z., Bookchin, R. M. Dehydration response of sickle cells to sickling-induced Ca(++) permeabilization. Blood. 99 (7), 2578-2585 (2002).
- Ernst, D. J. . NCCLS Procedures for the Collection of Diagnostic Blood Specimens by Venipuncture: Approved Standard-Sixth Addition. 27 (26), (2007).
