病の診断のためのポータブルイメージングおよび分析と相まって磁気浮上
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
ここでは、技術プラットフォームと疾患のための指標として患者の細胞の密度分布を分析するために自動化されたイメージングと分析して結合された磁気浮上を使用する技術を提示します。密度ベースのサイトメトリー分析のために、この多目的なアプローチは、最終的には疾患診断の範囲に適用することができます。しかし、途上国でのポイント・オブ・ケア検査と使用と互換性があるために、技術は、低コスト、携帯性、およびユーザビリティの要件を満たさなければなりません。デバイスおよび消耗品は、低コストで容易に得られなければなりません。サンプル調製は単純でなければならない、解析はユーザの入力や解釈のための最小限の要件を自動化する必要があり、結果はすぐに返されるべきです。さらに、デバイスは、臨床現場だけでなく、発展途上国で有用であるために、コンパクトでポータブルにする必要があります。したがって、我々は、ポイントオブケア互換工の磁気浮上を使用する装置および方法を開発しました患者の細胞集団の密度分布についての結果を返すように自動化された撮像画像解析を結合することにより術。
ポイント・オブ・ケアの技術は、現在の臨床検査の手順よりも顕著な利点を提供します。現在利用可能な技術は、臨床医または医療スタッフによって行われるには余りにも複雑によって所有されるには余りにも高価です。これらの手順の多くは、訓練を受けた技術者によって行われなければならない労働集約型のプロトコルを必要とします。これらの理由から、例えば、血液や尿などの患者サンプルは、一般的に、テストの結果を受信するために、医師のために数日を要することがあり、臨床試験のためのリモート、集中検査室に移し、医師のオフィスで収集されます。これは、（保険支払者の経済的負担を引き起こす）は、このテストは非常にコストがかかり、非効率的になり、いくつかのケースでは、治療の過程で遅延や合併症を引き起こし、さらに多くを行うことができます低リソース設定と途上国におけるアクセス不能の診断。
ここでは、埋め込まれた撮像処理（ 図1）およびスマートフォン対応機器（ 図2）とのデバイスの両方で自動イメージングおよび分析と結合された磁気浮上技術を提示します。これらの磁気浮上ベースのデバイスは、異なる医療診断用途の範囲に適用される可能性を有する広く適用プラットフォーム技術を表します。磁気力と浮力1、2、3：二つの力の間の平衡に基づく磁気浮上アプローチ機能。粒子は、常磁性媒体中に懸濁二つMAGN間の中心線の方向に粒子の磁力が作用し、互いに対向するように極を有する2つの磁石によって発生する磁場の中に挿入されたとき ETS。浮力は、懸濁媒体に比べ粒子の相対密度によって引き起こされると周囲の媒体よりも高密度粒子の場合にはあまりメディアより緻密で下方粒子の場合には上向きになっています。これらの二つの力に基づいて、粒子は、これらの二つの力がバランスフィールドに平衡浮上位置に到達します。この位置は、低密度の粒子よりもフィールドに低い浮上密度の高い粒子と、粒子の密度に直接関係しています。撮像モジュール、内蔵スマートフォンカメラ4、5、6または拡大レンズ7,8を備えた独立した光学部品、粒子の位置を視覚化するために使用されていますか。画像処理のいずれかのスマートフォン・アプリケーションを介して4、5、= "外部参照"> 6または埋め込み処理部7、8は 、その後、したがって、人口の密度分布を空間分布を定量化し、するために撮影した画像を処理します。例えばミリリットル当たり関心のほんの数の粒子を有するもののような、より大きな試料（分析するために、流れは、それらが、撮像領域（ 図2）を通過するように、そのような粒子が浮遊し、分析するデバイスに直接統合することができます。
図1：自己完結型の磁気浮上プラットフォーム。 （a）は、表示画面を有する磁気集束モジュール、撮像コンポーネント（発光ダイオード（LED）、光学レンズ、およびカメラ検出器）、及び処理装置を含む小型磁気浮上装置。 （b）は、CROでの磁界強度サンプルが挿入された磁石との間の領域のSS-セクション。電界強度は、磁石の表面で最大であり、それらの間の中心でゼロに近づきます。 （c）の粒子は、このような細胞として、磁場の経験、いくつかの軍内：磁気間の中心線に向かう磁気力（F mの）、大きさの粒子の位置により異なります。懸濁媒体のそれに比べ粒子密度に依存する重力（FとG '）、および粒子の動きに抵抗する抵抗力（F d）は。 Yenilmezから、許可を得て、再現し、 ら。 8 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
イチジクURE 2：スマートフォン互換フローアシスト磁気浮上プラットフォーム。 （ – c）の前（a）の背面、側面（b）および（c）の磁気浮揚装置（d）のデバイスの構成要素としてのビュー：1）磁気浮上モジュール、永久磁石、拡大レンズを含む、およびLEDと光拡散、マイクロコントローラ、ポンプドライバ、およびBluetoothレシーバーを含む2）スマートフォンケース、3）エレクトロニクス、4）マイクロポンプホルダー、5）調整可能なオリフィス、6）廃棄物管ホルダー、7）電池ホルダー、8 ）試料ホルダー、9）兼用スタンドとカバー。 （e）の磁場を通して試料のポンプを示す、概略的なフロー。 （F）は、フィールドを介してポンピングされるように異なる密度の粒子を整列する方法を示す磁気浮上モジュールの断面図。このような粒子1のような密度の低い粒子は、高い浮上高さトンで平衡化しますこのような粒子2と漢より高密度の粒子は、 らアミン、から、許可を得て、再現します。 1 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。
このシステムにおける密度分布の分析のために任意のサンプルを使用するための最低限の要件は、細胞または約5μmと約250μmの大きさよりも小さく（撮像と画像処理用）との適合性よりも大きい粒子の懸濁液を得る能力を含みますそのようなここで使用ガドブトロールとして常磁性液の溶液中で混合します。疾患の診断のために、互換性のあるアプリケーションは、健康な対照と比較して疾患を運ぶときに、目的のもの（I）において、細胞は本質的に密度変化が、試薬または一部を添加することによって細胞内で誘導することができる（II）、改変された密度を有し含みます要するにための代替治療cubation時間、または（iii）異なる細胞型は、単一のサンプル中で同定され、本質的に（またはいくつかの処理を介して ）されているが独特の特徴密度を有します。
鎌状赤血球症、間欠血管閉塞事象および慢性溶血性貧血9をもたらすことができる人の赤血球（RBC）で製造されるヘモグロビンの変異型、HBSを引き起こす遺伝性疾患です。これは、ヘモグロビンの等電非常に正確であるが、それらは、ポイントオブケアの設定と互換性がないため、臨床検査室で行わなければならない、高速液体クロマトグラフィー（HPLC）分画、又はヘモグロビン電気焦点のいずれかを使用して診断されます。鎌状赤血球症のための溶解度及び紙ベースのテストが提案されているが、一般的に主観的なユーザの解釈や確認試験を必要とされてきました。ここでは、RBよりも高い密度を達成する、鎌状赤血球を同定するための密度ベースのアプローチを使用し鎌状赤血球疾患のない人からのCs。機構は、脱酸素化条件10、11、12、13の下鎌状赤血球症の赤血球に赤血球脱水を起こすヘモグロビン、HBSの変異型の重合を含みます。
白血球（WBC）および赤血球7：この密度に基づくアプローチは、密度に基づいて、異なる種類の細胞を分離するために適用することができます。白血球は、一般的に、体内の感染症との戦いに関与しています。 WBCサイトメトリーは、血液中のこれらの細胞の数を定量化するために使用され、有用な診断ツールとして機能することができます。 WBCは、通常よりも高いカウント（一般μLあたり11,000細胞よりも大きいと考えられる）感染、免疫系障害、または白血病を示すことができます。 （μLあたり3500細胞の周囲の）正常範囲以下のWBC数は、自己免疫疾患またはコンディットによって引き起こされることがあります骨髄を損傷するイオン。代替技術とは異なり、ここで紹介する方法は、白血球を識別するために、赤血球や汚れの溶解に依存しません。 WBC集団密度は密度勾配遠心2、3を使用して、以前に計算されたRBCの集団よりも低いことが報告されているように、この細胞ベースの試験は、分離を行うために、2つの細胞タイプの固有の固有の密度を利用します。
15分、および1分未満を必要とし、自動イメージング及び分析-遠隔地に代替の試験と比較して、この試験は、単純な試料調製（ 図3）、10内のデバイス内の細胞の分離と、迅速です。この方法では、装置は、治療は、物理的および心理的苦痛を軽減し、合併症のassociのリスクを低減するために、すぐに投与されることを可能にする、より良い医療の意思決定を通知するために迅速に結果を返すことができ医療における遅延でated。この技法は、サイトのいずれかの単純なサンプル調製、最小限のユーザ入力または解釈に結果を返し、自動画像化及び分析のために臨床的状況において実施することができます。そのため、サンプルの分析およびスマートフォンや画像撮影・画像処理のための単純な電気部品のいずれかを使用するための永久磁石を使用した簡単なアプローチの使用により、デバイスだけでなく、あたりのテストコストはいくつかの洗練されたテスト手順に比べてごくわずかです。
Protocol
Representative Results
Discussion
プロトコル内の重要なステップ
このプロセスにおける重要な要素は、磁石の適切な位置合わせが含まれます。磁石が押しのけなったり、装置内に通常よりも多くを分離した場合、これは結果に影響を与えることができます。プロセスにおけるこの障害等を制御するために、密度制御された粒子は、ポリスチレン微小球などの経時変化を制御するために定期的に使用することができます。?…
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
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