Levitazione magnetica Accoppiato con Imaging portatile e analisi per la malattia di diagnostica

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

Qui, presentiamo una piattaforma tecnologica e una tecnica che utilizza la levitazione magnetica accoppiata con imaging e analisi automatizzata per analizzare la distribuzione della densità delle cellule del paziente come indicatore per la malattia. Questo approccio versatile per l'analisi di citometria di densità basata in ultima analisi può essere applicata a una vasta gamma di diagnostica delle malattie. Tuttavia, al fine di essere compatibile con i test point-of-care e l'uso in paesi in via di sviluppo, la tecnica deve soddisfare le esigenze di basso costo, portabilità e usabilità. Il dispositivo e consumabili devono essere ottenuti facilmente a basso costo. La preparazione del campione deve essere semplice, analisi dovrebbe essere automatizzato con i requisiti minimi per l'input dell'utente o di interpretazione, ed i risultati devono essere restituiti rapidamente. Inoltre, il dispositivo deve essere compatto e portatile per essere utile in situazioni cliniche così come i paesi in via di sviluppo. Così, abbiamo sviluppato un dispositivo e il metodo da utilizzare levitazione magnetica in point-of-care-compatibile TECHNOLlogia per accoppiamento automatico imaging e immagine analisi per restituire risultati per quanto riguarda la distribuzione della densità di una popolazione di cellule del paziente.

Point-of-care tecnologie offrono una notevole vantaggio rispetto attuali procedure di test clinici di laboratorio. La tecnologia attualmente disponibile è troppo costosi per essere posseduta dal medico o troppo complesso per essere effettuata da personale medico. Molte di queste procedure richiedono protocolli alta intensità di lavoro, che devono essere effettuate da un tecnico qualificato. Per queste ragioni, i campioni dei pazienti come il sangue o nelle urine sono generalmente raccolti in ufficio del medico poi trasferito in un laboratorio di analisi centralizzata a distanza per la sperimentazione clinica, che può richiedere diversi giorni per il medico per ricevere i risultati del test. Ciò può causare ritardi o complicazioni nel corso del trattamento, in alcuni casi, rende questo test molto costoso e inefficiente (causando un onere finanziario contribuenti assicurazione), e rende ulteriormente moltidiagnostica inaccessibili in ambienti con scarsa risorsa e nei paesi in via di sviluppo.

Qui, presentiamo una tecnica levitazione magnetica accoppiata con l'imaging automatizzato e analisi sia un dispositivo con immagini embedded e trasformazione (figura 1) ed un dispositivo smartphone compatibile (Figura 2). Questi dispositivi levitazione basati magnetici rappresentano una piattaforma tecnologica ampiamente applicabile, che ha il potenziale di essere applicata ad una gamma di diverse applicazioni diagnostiche mediche. Le funzioni magnetici approccio levitazione basati su un equilibrio tra due forze: una forza magnetica e una forza di galleggiamento ^{1, 2, 3.} Quando una particella viene sospesa in un mezzo paramagnetico e inserito in un campo magnetico generato da due magneti con poli come fronte all'altro, una forza agisce magnetica sulla particella nella direzione verso la linea centrale tra i due magn ETS. La forza di galleggiamento è causato dalla densità relativa della particella rispetto al mezzo di sospensione ed è alto nel caso di particelle meno dense rispetto alla media e verso il basso nel caso di particelle più dense del mezzo circostante. Sulla base di queste due forze, particelle raggiungono una posizione di equilibrio levitazione nel campo che equilibra queste due forze; questa posizione è direttamente correlata alla densità della particella, con particelle più dense levitare inferiore nel campo di particelle meno dense. Un modulo di imaging, sia incorporato smartphone telecamera ^{4, 5, 6} o componenti ottici indipendenti dotati di una lente di ingrandimento ^{7, 8,} vengono utilizzati per visualizzare le posizioni delle particelle. L'elaborazione delle immagini, sia attraverso una applicazione per smartphone ^{4, 5,}= "xref"> 6 o un'unità di elaborazione incorporato ^{7, 8,} quindi elabora le immagini catturate per quantificare la distribuzione spaziale e, di conseguenza, la distribuzione della densità della popolazione. Per analizzare campioni più grandi (come quelli con solo poche particelle di interesse per millilitro, il flusso può essere integrato direttamente nel dispositivo di tali particelle rimangono sospesi ed analizzato che passano attraverso la regione di imaging (Figura 2).

Figura 1: Self-contained piattaforma levitazione magnetica. (A) un dispositivo di levitazione magnetica compatto con un modulo magnetico focalizzazione, componenti di imaging (un diodo (LED emettitori di luce), una lente ottica, e un rivelatore fotocamera), ed un'unità di elaborazione con uno schermo di visualizzazione. (B) l'intensità del campo magnetico nella cross-sezione dell'area tra i magneti in cui viene inserito il campione. L'intensità del campo è massima in corrispondenza della superficie dei magneti e si avvicina a zero in corrispondenza della mezzeria tra loro. (C) Particelle, come le cellule, nei magnetico esperienza campo diverse forze: una forza magnetica (F _m) verso l'asse tra magnetismo, con ampiezza variabile in base alla posizione della particella; una forza gravitazionale (F _g '), che dipende dalla densità delle particelle rispetto a quella del mezzo di sospensione, e una forza di trascinamento (F _d) resistendo moto delle particelle. Riprodotto, con il permesso, da Yenilmez, et al. ⁸ Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figuraure 2: compatibile con Smartphone Flow-assistita piattaforma levitazione magnetica. (A – c) anteriore (a), laterale (b), e viceversa (c) vista dispositivo magnetico di levitazione (d) I componenti del dispositivo includono: 1) Modulo di levitazione magnetica, compresi magneti permanenti, una lente di ingrandimento, e un diffusore a LED e luce, 2) caso smartphone, 3) l'elettronica, tra cui un microcontrollore, autista pompa, e il ricevitore Bluetooth, 4) porta micro-pompa, 5) orifizio regolabile, 6) supporto tubo di scarico, 7) porta-batteria, 8 ) supporto del campione, 9) supporto dual-purpose e la copertura. (E) di flusso schematico che mostra pompaggio del campione attraverso il campo magnetico. (F) Sezione del modulo levitazione magnetica, che mostra come le particelle di densità diverse saranno allineati come sono pompati attraverso il campo; meno dense di particelle, come ad esempio particelle 1, sarà equilibrare a una maggiore altezza di levitazione than particelle più dense, come particelle 2. riprodotto, con il permesso, da Amin, et al. ¹ Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

I requisiti minimi relativi all'uso di qualsiasi campione per analisi distribuzione di densità di questo sistema includono la capacità di ottenere una sospensione di cellule o particelle maggiori di circa 5 micron e meno di circa 250 micron di dimensione (per l'imaging e di elaborazione delle immagini) e la sua compatibilità con miscelazione in soluzione di una soluzione paramagnetico come il gadobutrolo usato qui. Per la diagnosi di malattie, applicazioni compatibili includono quelli in cui (i) cellule di interesse ha intrinsecamente una densità alterata quando realizzano una malattia rispetto ai controlli sani, (ii) un cambiamento di densità può essere indotta nella cella mediante aggiunta di un reagente o qualche trattamento alternativo per un brevetempo cubation, o (iii) diversi tipi cellulari sono stati identificati in un singolo campione e intrinsecamente (o attraverso trattamento) hanno densità caratteristiche uniche.

L'anemia falciforme è una malattia genetica che causa una forma mutata di emoglobina, HbS, ad essere prodotto nei globuli rossi di una persona (RBC), che può causare intermittenti eventi vaso-occlusivi e anemia emolitica cronica ^9. Esso viene diagnosticata utilizzando emoglobina isoelettrofocalizzazione, cromatografia liquida ad alta prestazione elettroforesi (HPLC) di frazionamento o di emoglobina che sono estremamente preciso, ma deve essere eseguita in un laboratorio di analisi cliniche, perché sono incompatibili con le impostazioni point-of-care. Solubilità e test a base di carta per anemia falciforme sono stati proposti, ma in genere richiedono interpretazione utente soggettiva e test di conferma. Qui, usiamo un approccio di densità a base di identificare i globuli rossi falciformi, che raggiungere una densità maggiore di RBCs da persone senza anemia falciforme. Il meccanismo prevede polimerizzazione della forma mutata di emoglobina, HbS, che provoca RBC disidratazione falce globuli rossi malattie cellula in condizioni deossigenate ^{10, 11, 12, 13.}

Questo approccio densità basato può essere applicato anche per separare le cellule di tipo diverso sulla base della densità: globuli bianchi (WBC) e RBC ^7. Leucociti sono generalmente responsabile per combattere le infezioni nel corpo. WBC citometria può essere usata per quantificare il numero di queste cellule nel sangue e serve come un utile strumento diagnostico. WBC conta più alto del normale (generalmente considerata superiore a 11.000 cellule per mL) possono indicare infezioni, disturbi del sistema immunitario, o leucemia. WBC conta al di sotto del range di normalità (circa 3.500 cellule per mL) possono essere causati da malattie autoimmuni o Conditioni che danni del midollo osseo. A differenza delle tecnologie alternative, il processo qui presentato non si basa su lisi dei globuli rossi o macchie per identificare globuli bianchi. Questo test cell-based sfrutta le densità intrinseche uniche dei due tipi di cellule di eseguire la separazione, come la densità di popolazione WBC è stato segnalato per essere inferiore a quello della popolazione RBC calcolato precedentemente con gradiente di densità centrifugazione ^{2, 3.}

Rispetto ai test alterative in posizioni remote, questo test è rapido, con semplice preparazione del campione (figura 3), la separazione delle cellule nel dispositivo in 10 – 15 min, imaging e analisi automatizzata che richiede meno di 1 min. In questo modo, il dispositivo può restituire risultati rapidamente per informare meglio le decisioni mediche, permettere un trattamento da somministrare immediatamente per alleviare il dolore fisico e psicologico, e ridurre il rischio di complicanze Associated con un ritardo nelle cure mediche. Questa tecnica può essere eseguita sul posto sia in ambito clinico causa di semplice preparazione del campione e di imaging automatizzati e analisi che restituisce un risultato con il minimo input dell'utente o interpretazione. A causa dell'uso di un approccio semplice mediante magneti permanenti per l'analisi del campione e l'utilizzo della propria smartphone o componenti elettrici semplici per l'imaging e di elaborazione delle immagini, il dispositivo così come i costi per test sono minime rispetto ad alcune procedure di test sofisticati.

Protocol

Dichiarazione etica: Tutte le procedure che coinvolgono campioni di sangue umano sono state effettuate secondo le norme istituzionali. Tutti i protocolli sono stati esaminati e approvati dal Institutional Review Board. Un consenso informato è stato dato da tutti i partecipanti. Preparazione 1. Esempio per anemia falciforme Diagnosi 5, 8 Preparare una soluzione 50 mm di gadobutrolo in soluzione salina bilanciata di Hank (H…

Representative Results

Per l'analisi della distribuzione della densità delle cellule, che è la tecnica usata per la diagnosi della malattia falce cella, lo scopo è di individuare la larghezza della distribuzione della popolazione cellulare. Cellule del sangue da pazienti senza anemia falciforme saranno confinati all'interno di una larghezza prevedibile. Le cellule da pazienti con anemia falciforme saranno distribuiti in tutta una regione più ampia, con una inclinazione verso il basso nella distribu…

Discussion

I passaggi critici all'interno del protocollo
Fattori critici in questo processo includono il corretto allineamento dei magneti. Se i magneti diventano sloggiato o separati più del normale all'interno del dispositivo, questo può influenzare i risultati. Per controllare questo guasto o altri nel processo, una particella di densità controllata, ad esempio microsfere di polistirene, può essere utilizzato periodicamente per controllare le variazioni nel tempo. Inoltre, il tempo di levitazione è important…

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