Romfart blod diagnostikk trenger innovasjon. Noen demonstrasjoner har blitt publisert som illustrerer in-flight, redusert tyngdekraft helse diagnostisk teknologi. Her presenterer vi en metode for bygging og drift av en parabolsk flytur testrigg for en prototype point-of-care flow-cytometri design, med komponenter og forberedelse strategier tilpasningsdyktige til andre oppsett.
Inntil nylig var astronaut blodprøver samlet in-flight, transporteres til jorden på romfergen, og analysert i terrestriske laboratorier. Hvis mennesker er å reise utenfor lav jordbane, en overgang mot space-klar, point-of-care (POC) testing er nødvendig. Slik testing må være omfattende, lett å utføre i en redusert tyngdekraft miljø, og upåvirket av stress av lanseringen og romfart. Utallige POC enheter har blitt utviklet for å etterligne laboratorieskala kolleger, men de fleste har smale programmer og få har påviselig bruk i en in-flight, redusert gravitasjon miljø. Faktisk er demonstrasjoner av biomedisinsk diagnostikk i redusert tyngdekraft begrenset helt, noe som gjør komponent valg og visse logistiske utfordringer vanskelig å nærme når søker å teste ny teknologi. For å bidra til å fylle tomrommet, presenterer vi en modulær metode for bygging og drift av en prototype blod diagnostisk utstyr og tilhørende parabolic flight testrigg som oppfyller standardene for flight-testing om bord på en parabolsk flytur, redusert gravitasjon fly. Metoden først fokuserer på rigg montering for in-flight, redusert gravitasjon testing av et flowcytometer og en ledsager microfluidic blanding chip. Komponenter er tilpasningsdyktig til andre motiver og noen tilpassede komponenter, for eksempel en microvolume prøvelaster og micromixer kan være av spesiell interesse. Metoden deretter skift fokus til forberedelse fly, ved å tilby veiledning og forslag for å forberede for en vellykket testtur med hensyn til brukeropplæring, utvikling av en standard operasjonsprosedyre (SOP), og andre problemer. Endelig er in-flight eksperimentelle prosedyrer som er spesifikke for våre demonstrasjoner beskrevet.
Utilstrekkeligheten av dagens plass klar helse diagnostikk presenterer en begrensende faktor til dypere bemannet romfart. Diagnostikk må være omfattende, lett å bruke i redusert tyngdekraft, og relativt upåvirket av påkjenninger i lanseringen og romfart (f.eks høye G-krefter, vibrasjoner, stråling, temperaturendringer, og kabintrykkforandringer). Utviklingen i point-of-care testing (POCT) kan oversette til effektive romfart løsninger gjennom bruk av mindre pasientprøver (for eksempel en finger stikk), enklere og mindre fluidics (dvs. Microfluidics), og redusert elektriske kraftbehov, blant annet fordeler. Strømningscytometri er en attraktiv metode for in-POC plass på grunn av den brede anvendelsen av teknologien, herunder mot celletelling og biomarkør kvantifisering, samt betydelige miniatyrisering potensial. Tidligere romrelaterte flowcytometere inkluderer 'atom pakking efficiency '(NPE) instrument som benyttes samtidig buelampen indusert fluorescens og elektronisk volum (Coulter volum) måling 1-4, en relativt liten Borstemmaskin flowcytometer representerer den "første generasjon av sanntids flowcytometri data under null gravitasjon' 5, en 'sheathless microflow cytometer' i stand til 4- og 5-del av hvite blodceller (WBC) telling ved anvendelse av differensial forbehandlet 5 ul fullblodprøver 6-9, og en "fiberoptisk baserte 'flowcytometer nylig testet om bord i den internasjonale Space Station 10.
Vurderer diagnostisk teknologi for potensielle plass applikasjoner er vanligvis utføres ombord redusert gravitasjon fly som bruker en tilnærmet parabolske flygebane for å simulere et valgt nivå av vektløshet (f.eks null-gravitasjon, Martian-gravitasjon) 11. Evaluering er utfordrende fordi flyge mulighetene er begrenset, repetitive korte vinduer av mikrogravitasjon kan gjøre det vanskelig å vurdere metoder eller prosesser som vanligvis krever uforstyrret perioder lengre enn 20-40 sekunder, og demonstrasjoner kan kreve ekstra utstyr som ikke lett utnyttes in-flight 12-15. Videre tidligere demonstrasjoner av in vitro diagnostiske (IVD) teknologi som brukes i, eller er laget for, redusert tyngdekraften er begrenset, og mye arbeid gjenstår upublisert. I tillegg til de ovennevnte væskestrømsfotometere, andre romrelaterte IVD-teknologier som er beskrevet i litteraturen omfatter en helblod fargingsanordning for immunfenotyping anvendelser 16, en automatisk kamerabasert cytometer 12, en håndholdt klinisk analysator for integrert potensiometri, amperometry, og conductometry 12,17, en mikrofluid 'T-sensor' enhet for analytt kvantifisering som er avhengig av diffusjon basert miksing og separering 18, og en roterende 'lab på en CD' diagnostikk plattform 19,20. Nykommere til redusert tyngdekraft testing kan også se til parabolske fly demonstrasjoner som ikke er relatert til in vitro diagnostikk når man prøver å lage evalueringsenhet mulig (eller finne ut hva som er mulig). Demonstrasjoner fra andre tidligere medisinsk eller biologisk eksperimentering med veldokumentert forberedelse fly, in-flight strategier, og flight testutstyr er inkludert i tabell 1 15, 21-35. Disse kan være informativ grunnet inkludering av manuell in-flight oppgaver, bruk av spesialutstyr, og eksperimentell containment.
Kategori | Eksempler |
Medisinsk nødhjelp | Intubasjonsforhold (laryngoskop styrt, på Maniki) 21, hjertelivsoppretthold (bedøvede griser) 22 |
Kirurgisk behandling | Laparoskopisk kirurgi (video simulert 23, på bedøvede griser 24,25) |
Røntgen eller fysiologi vurdering | Ultralyd med underkroppen negativt trykkammer 26, Doppler strømningsmåler (hode montert) 27, sentralt venetrykk monitor 28 |
Specialized biologisk utstyr | Mikroplateleser (og in-flight hanskerommet) 29, temperaturkontroll system for cellesyklus eksperimenter 30, mikroskop (lysfelt, fasekontrast, og flerkanals fluorescens stand) 15, kapillærelektroforeseenhet koblet til video mikroskop 31 |
Andre | Plant høsting med pinsett 32, inneholdt rotter 33,34 og fiske 35 for observasjon |
Tabell 1. Parabolic Flight Demonstrasjons Eksempler med godt beskrevet Metoder / Eksperimenter
Å utvide på tidligere eksempler og gi større innsikt i vellykkede in-flight demonstrasjoner, presenterer vi en og tilpasningsdyktig prosedyre for bygging og drift av en prototype flowcytometer med tilhørende mikrofluid blanding teknologi som en del av en parabolsk flytur testrigg. Riggen gjør demonstrasjoner av prøven lasting, microfluidic miksing, og fluorescerende partikkeldeteksjon, og ble testet ombord i 2010 NASA forenklede tilgangen til Space Environment (FAST) parabolske fligHTS, flydd fra 29 september til 1 oktober 2010. Disse demonstrasjonene trekke fra begynnelse, midt og slutt, henholdsvis av en potensiell arbeidsflyt enhet hvor fingerstore blodprøver er lastet, fortynnes eller blandes med reagenser, og analysert via optisk gjenkjenning. Skalering et flowcytometer inn i en kompakt enhet krever innovasjon og forsiktig del valg. Custom og off-the-sokkel komponenter er brukt her, valgt som beste tidlige tilnærmelser av endelige komponentvalg, og kan være tilpasningsdyktig til design av andre innovatører. Etter en skisse av prototype komponentvalg, er oppsettet beskrevet på en bærekonstruksjon som tjener som et skjelett for riggsammenstilling. Prototype komponenter er tildelt steder, sikret, og ledsaget av flere komponenter som er nødvendige for vellykket eksperimentering. Oppmerksomhet da skifter til mer abstrakte prosedyrer som involverer standard prosedyre (SOP) utvikling, opplæring og annen logistikk. Endelig demonstrasjonsspesifikke prosedyrer errives. Strategiene som beskrives her og valg av støtte riggkomponenter (f.eks mikroskop, akryl boks, etc.), men implementert her for spesifikk prototype, snakke med de generelle problemstillinger og utfordringer som er relevante for å teste noe blod diagnostisk utstyr i en redusert tyngdekraft miljø .
I 2010 fly, to måne-gravitasjon (nå ca 1/6 jorden gravitasjon) og to micro-gravitasjon fly var planlagt over 4 dager, men til syvende og sist disse ble flyttet over 3 dager. Demonstrasjoner ble utført om bord på en modifisert privat drevet, trang kroppen jetfly 36. Hver uren tilgjengelig 30-40 parabler, hver ettergivende omtrent 20 sek med høy gravitasjon (omtrent 1,8 g), etterfulgt av 20-25 sek redusert gravitasjonsbetingelser. Etter halvparten av parabler ble henrettet, flyet stoppet midlertidig for en periode på ca 5-10 min i level flight slik at flyet til å snu og dra tilbake mot landingsstedet mens performing resten av parabler.
Metoden som beskrives her aktivert effektiv demonstrasjon av de store teknologikomponenter (sample lasting, microfluidic miksing, og optisk gjenkjenning) i løpet av 2010 FAST parabelflygninger, med sammenlignbare resultater til bakken testing. Opplæring og SOP metodene beskrevet her var spesielt effektive, og bidratt til å belyse verktøy og andre 'krykker' vesen stolt på for praksis demonstrasjoner som ikke ville være tilgjengelig ombord på parabolske flytur.
Forbedringsområd…
The authors have nothing to disclose.
Maskinvare utvikling ble støttet av NASA SBIR Kontrakter NNX09CA44C og NNX10CA97C. Dataanalyse for de optiske blokk og prøvelaster demonstrasjoner ble støttet av NASA Fase III Kontrakts NNC11CA04C. Den menneskelige blodprøvetaking ble utført ved hjelp av NASA IRB Protocol # SA-10-008. Kontroll / kjøp programvare som leveres gjennom National Instruments Medical Device Grant Program. Former for microchips ble gjort ved Johns Hopkins microfabrication anlegget og Harvard Center for nanoskala Systems. Otto J. Briner og Luke Jaffe (DNA Medicine Institute) hjulpet i rack-montering i løpet av sommeren 2010. NASA flight video ansatte gitt video-opptakene under flyging uke. Carlos Barrientos (DNA Medicine Institute) gitt fotografi og figur assistanse. Spesiell takk til den forenklede tilgangen til Space Environment for teknologi 2010 Program, NASA Redusert Gravity Office, Human Tilpasning og mottiltak Division, NASA Glenn Research Center,ZIN Technologies, og Human Research Program.
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. |