المغنطيسى إلى جانب التصوير المحمولة وتحليل لتشخيص الأمراض
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
هنا، نقدم منصة التكنولوجيا وتقنية الذي يستخدم القطار المغناطيسي إلى جانب التصوير الآلي وتحليل لتحليل توزيع كثافة خلايا المريض كمؤشر للمرض. هذا النهج تنوعا لتحليل cytometric على أساس الكثافة يمكن في نهاية المطاف أن تطبق على مجموعة من تشخيص المرض. ومع ذلك، من أجل أن تكون متوافقة مع نقطة الرعاية السريرية واستخدامها في البلدان النامية، يجب على تقنية تلبية متطلبات منخفضة التكلفة، ونقل، وسهولة الاستخدام. الجهاز والمواد الاستهلاكية يجب الحصول عليها بسهولة وبتكلفة منخفضة. إعداد نموذج يجب أن تكون بسيطة، يجب أن يكون آليا التحليل مع متطلبات الحد الأدنى من إدخال المستخدم أو تفسير، وينبغي أن تعاد النتائج بسرعة. وعلاوة على ذلك، يجب أن يكون الجهاز المدمجة والمحمولة لتكون مفيدة في المرافق الصحية، فضلا عن البلدان النامية. وهكذا، قمنا بتطوير جهاز وطريقة لاستخدام القطار المغناطيسي في نقطة من الرعاية المتوافقة مع TECHNOLogy قبل اقتران الآلي التصوير وصورة تحليل للعودة النتائج فيما يتعلق بتوزيع كثافة السكان من خلايا المريض.
تقنيات نقطة من الرعاية توفر ميزة بارزة على إجراءات الفحوصات المخبرية السريرية الحالية. التكنولوجيا المتاحة حاليا مكلفة للغاية أن تكون مملوكة من قبل الطبيب أو المعقدة جدا التي يتعين الاضطلاع بها من قبل الطاقم الطبي. العديد من هذه الإجراءات تتطلب بروتوكولات كثيفة العمالة التي يجب أن يقوم بها فني مدرب. لهذه الأسباب، عينات من المرضى مثل الدم أو البول يتم جمع عموما في عيادة الطبيب ثم نقل إلى البعيد، الفحوصات المخبرية مركزي لاختبار سريري، والذي قد يستغرق عدة أيام لالطبيب لتلقي نتائج الاختبار. يمكن أن يسبب هذا التأخير أو مضاعفات أثناء العلاج في بعض الحالات، يجعل هذا الاختبار مكلفة جدا وغير فعال (يسبب عبئا ماليا على دافعي التأمين)، وكذلك يجعل الكثيرالتشخيص لا يمكن الوصول إليها في إعدادات المنخفضة الموارد والبلدان النامية.
هنا، نقدم تقنية المغنطيسى إلى جانب التصوير الآلي وتحليل في كل جهاز مع التصوير جزءا لا يتجزأ وتجهيز (الشكل 1) وجهاز الهاتف الذكي متوافق (الشكل 2). وتمثل هذه الأجهزة المستندة إلى المغنطيسى تقنية منصة قابلة للتطبيق على نطاق واسع والتي لديها القدرة على تطبيقها على مجموعة واسعة من التطبيقات المختلفة التشخيص الطبي. وظائف نهج المغنطيسى على أساس التوازن بين قوتين: قوة المغناطيسية وقوة الطفو 1، 2، 3. عندما يتم تعليق الجسيمات في وسط ممغطس وإدراجها في حقل المغناطيسي التي تم إنشاؤها من قبل اثنين من المغناطيس مع أقطاب تشبه في مواجهة بعضهما البعض، وأعمال القوة المغناطيسية على جسيم في الاتجاه نحو محور بين magn اثنين خدمات الاختبارات التربوية. وتسببت قوة الطفو التي كتبها الكثافة النسبية للجسيمات مقارنة المتوسطة تعليق وهو أعلى في حالة الجسيمات أقل كثافة من المتوسط والهبوط في حالة الجسيمات أكثر كثافة من الوسط المحيط. وبناء على هاتين القوتين، والجسيمات التوصل إلى وضع التوازن الارتفاع في الحقل الذي يوازن بين هاتين القوتين. يرتبط هذا الموقف مباشرة إلى كثافة الجسيمات، مع جزيئات أكثر كثافة الرفع أقل في مجال من الجسيمات أقل كثافة. وحدة التصوير، وإما المدمج في الهاتف الذكي كاميرا 4، 5، 6 أو المكونات البصرية مستقلة مجهزة عدسة مكبرة 7، 8، تستخدم لتصور مواقف الجسيمات. معالجة الصور، إما من خلال تطبيق الهاتف الذكي 4، 5،= "XREF"> 6 أو وحدة المعالجة جزءا لا يتجزأ من 7، 8، ثم تقوم بمعالجة الصور التي تم التقاطها لتحديد التوزيع المكاني، وبالتالي توزيع الكثافة السكانية. من أجل تحليل عينات أكبر (مثل الذين يعانون سوى عدد قليل من جزيئات من الفائدة لكل ملليلتر، تدفق يمكن أن تكون متكاملة مباشرة إلى الجهاز ومرفوع مثل الجزيئات وتحليلها لأنها تمر من خلال المنطقة التصوير (الشكل 2).
الشكل 1: المغنطيسى منصة بذاتها. (أ) الاتفاق جهاز المغنطيسى بما في ذلك وحدة المغناطيسية التركيز، مكونات التصوير (أ ينبعث منها ضوء الصمام الثنائي (LED)، عدسة بصرية، وجهاز الكشف عن الكاميرا)، وحدة المعالجة مع شاشة العرض. (ب) قوة المجال المغناطيسي في كروSS-قسم من المنطقة الواقعة بين المغناطيس حيث يتم إدخال العينة. قوة الحقل هو أعظم على سطح مغناطيس ونهج الصفر في المنتصف بينهما. (ج) الجسيمات، مثل الخلايا، ضمن تجربة الحقل المغناطيسي عدة قوى: القوة المغناطيسية (F م) نحو محور بين المغناطيسية، مع حجم مختلفة على أساس الموقف من الجسيمات. قوة الجاذبية (F ز ') والتي تعتمد على كثافة الجسيمات النسبية إلى أن من وسيلة تعليق، وقوة السحب (F د) مقاومة حركة الجسيمات. مستنسخة، بإذن، من Yenilmez، وآخرون. 8 الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
تينلدى عودتهم 2: الهاتف الذكي متوافق مع مساعدة تدفق مغناطيسي منصة الإرتفاع. (أ – ج) الجبهة (أ)، الجانب (ب)، والعودة (ج) آراء جهاز مغناطيسي الارتفاع (د) وتشمل مكونات الجهاز: 1) المغناطيسي حدة الارتفاع، بما في ذلك مغناطيس دائم، عدسة مكبرة، و الصمام وضوء الناشر، 2) حالة الهاتف الذكي، 3) الالكترونيات، بما في ذلك متحكم، سائق مضخة، والمتلقي بلوتوث، 4) حامل مضخة صغيرة، 5) فوهة قابل للتعديل، 6) حامل أنبوب النفايات، 7) حامل البطارية، 8 ) عينة حامل، 9) موقف ذات الغرض المزدوج والغطاء. (ه) تدفق التخطيطي، والتي تبين ضخ العينة من خلال المجال المغناطيسي. (و) قطاعا عريضا من حدة الارتفاع المغناطيسي، والتي تبين كيف جزيئات من كثافات مختلفة سوف محاذاة حيث يتم ضخ أنهم من خلال هذا المجال؛ أقل جسيمات كثيفة، مثل الجسيمات 1، سوف تتوازن في أعلى الارتفاع ارتفاع رهان كثافة الجسيمات، مثل الجسيمات 2. مستنسخة، بإذن، من أمين، وآخرون. 1 الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
وتشمل متطلبات الحد الأدنى لاستخدام أي عينة لتحليل توزيع الكثافة في هذا النظام القدرة على الحصول على تعليق من خلايا أو جزيئات أكبر من ما يقرب من 5 ميكرون وأقل من ما يقرب من 250 ميكرون في الحجم (للتصوير ومعالجة الصور) وتوافقه مع خلط في حل من حل ممغطس مثل gadobutrol المستخدمة هنا. لتشخيص المرض، وتشمل التطبيقات المتوافقة مع تلك التي (ط) خلايا الفائدة لديها بطبيعتها كثافة غيرت عندما تحمل المرض مقارنة مع الاصحاء، (ب) يمكن أن يتسبب في تغير كثافة في الخلية بإضافة كاشف أو بعض العلاج البديل لفترة قصيرة فيالوقت cubation، أو (ج) يجري تحديد أنواع مختلفة من الخلايا في عينة واحدة وبطبيعتها (أو عن طريق بعض العلاج) لديها كثافة مميزة فريدة من نوعها.
مرض فقر الدم المنجلي هو اضطراب وراثي يسبب شكل تحور من الهيموغلوبين، مسح ميزانية الأسرة، التي يتم إنتاجها في خلايا الدم الحمراء للشخص (كرات الدم الحمراء)، التي يمكن أن تؤدي في متقطعة الأحداث فازو-انسداد وفقر الدم الانحلالي المزمن 9. يتم تشخيصه باستخدام الهيموغلوبين ISOELECTRIC التركيز، عالية الأداء اللوني السائل (HPLC) تجزئة، أو الهيموجلوبين الكهربائي التي هي دقيقة جدا ولكن يجب أن يؤديها في الفحوصات المخبرية السريرية لأنها تتنافى مع ضبط نقطة من الرعاية. وقد اقترحت الذوبان والاختبارات الورقية لمرض فقر الدم المنجلي، ولكن عموما تتطلب التفسير مستخدم شخصي والاختبار التأكيدي. هنا، ونحن نستخدم نهج قائم على كثافة لتحديد عدد كرات الدم الحمراء المنجلية، التي تحقق أعلى كثافة من RBخدمات العملاء من الناس دون مرض فقر الدم المنجلي. وتتضمن آلية البلمرة من النموذج المتحول من الهيموغلوبين، مسح ميزانية الأسرة، والذي يسبب RBC الجفاف في كرات الدم الحمراء مرض فقر الدم المنجلي في ظل ظروف غير المؤكسج 10، 11، 12، 13.
ويمكن أيضا أن هذا النهج القائم على كثافة تطبيقها لفصل الخلايا من أنواع مختلفة على أساس الكثافة: خلايا الدم البيضاء (الكريات البيضاء) وكرات الدم الحمراء 7. الكريات البيضاء عادة ما تكون المسؤولة عن مكافحة الالتهابات في الجسم. WBC الخلوي يمكن أن تستخدم لتحديد عدد هذه الخلايا في الدم ويعمل كأداة تشخيصية مفيدة. WBC التهم أعلى من المعتاد (يعتبر عموما أكثر من 11000 خلية لكل ميكرولتر) قد تشير إلى عدوى، واضطرابات الجهاز المناعي، أو سرطان الدم. WBC تعول تحت المعدل الطبيعي قد يكون سبب (حوالي 3500 خلية لكل ميكرولتر) عن اضطرابات المناعة الذاتية أو كونديتالأيونات التي نخاع العظام الضرر. على عكس التكنولوجيات البديلة، عملية المعروضة هنا لا تعتمد على تحلل كرات الدم الحمراء أو البقع من أجل تحديد الكريات البيضاء. هذا الاختبار خلية القاعدة يستفيد من الكثافة الكامنة فريدة من أنواع الخلايا اثنين لأداء الفصل، كما تم الإبلاغ عن الكثافة السكانية WBC إلى أن تكون أقل من ذلك من السكان RBC المحسوبة مسبقا باستخدام التدرج الكثافة الطرد المركزي 2 و 3.
مقارنة اختبار مغير في المناطق النائية، وهذا اختبار سريع، مع إعداد نموذج بسيط (الشكل 3)، والفصل بين الخلايا في الجهاز في غضون 10-15 دقيقة، وآلية التصوير والتحليل الذي يتطلب أقل من 1 دقيقة. وبهذه الطريقة، يمكن للجهاز عرض النتائج بسرعة إبلاغ أفضل القرارات الطبية، والسماح العلاج لأن تدار على الفور لتخفيف الألم الجسدي والنفسي، والحد من خطر حدوث مضاعفات associATED مع تأخير في الرعاية الطبية. هذا الأسلوب لا يمكن أن يؤديها في الموقع إما في المرافق الصحية بسبب إعداد بسيط عينة والتصوير الآلي وتحليل والتي ترجع نتيجة لذلك مع الحد الأدنى من إدخال المستخدم أو تفسير. ونظرا لاستخدام نهج بسيط باستخدام مغناطيس دائم لتحليل العينات واستخدام أي من الهاتف الذكي أو المكونات الكهربائية بسيطة للتصوير ومعالجة الصور، والجهاز فضلا عن التكاليف لكل اختبار والحد الأدنى بالمقارنة مع بعض إجراءات اختبار متطورة.
Protocol
Representative Results
Discussion
خطوات حاسمة في إطار بروتوكول
وتشمل العوامل الحاسمة في هذه العملية المحاذاة الصحيحة للمغناطيس. إذا أصبحت المغناطيس فكها أو فصل أكثر من المعتاد داخل الجهاز، وهذا يمكن أن تؤثر على النتائج. للسيطرة على هذا الخطأ أو غيرها في هذه العملية، والجسيمات التي تسيطر عليها كث…
Disclosures
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 |
References
- 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).
