Magnetic Levitation Gekoppelt mit tragbaren Imaging und Analyse für Krankheitsdiagnostik

Das übergeordnete Ziel dieses Prozesses ist es, eine dichtebasierte zelluläre Analyse für verschiedene medizinische Diagnoseanwendungen durchzuführen, indem die veränderte Verteilung einer Zellpopulation gemessen oder Zelltypen anhand ihrer charakteristischen Dichten getrennt werden. Diese Methode kann dazu beitragen, eine zentrale Herausforderung in der Biomedizintechnik zu lösen, nämlich die Durchführung wichtiger medizinischer Diagnostik auf zellulärem Wege in klinischen Umgebungen oder Entwicklungsländern. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass sie nicht viel Ausrüstung oder Vorbereitung erfordert und von fast jedem durchgeführt werden kann.

Die Auswirkungen dieser Technik erstrecken sich auf die Sichelzellendiagnose, da dieses Gerät die erhöhte Dichte und verringerte Levitationsrate quantifizieren kann, die durch niedrige Sauerstoffbedingungen in Sichelzellen verursacht werden. Obwohl diese Methode, wie hier gezeigt, für medizinische Diagnosetests nützlich ist, kann sie auch auf andere dichtebasierte zytometrische Tests angewendet werden, indem die Probe verändert und die Software modifiziert wird. Bereiten Sie zunächst 10 Milliliter einer 50 millimolaren Lösung von Gadobutrol und Hanks ausgewogener Salzlösung vor.

Fügen Sie dann Natriummetabisulfit hinzu, um eine Konzentration von 10 Millimolar in der Gadoliniumlösung zu erreichen. 100 Mikroliter der Gadolinium-Natriummetabisulfit-Stammlösung in ein Mikrozentrifugenröhrchen geben. Entnehmen Sie eine Blutprobe mit Standard-Venenpunktionstechniken oder mit einer Fingerbeere.

Um die Fingerstichprobe zu entnehmen, üben Sie Druck in der Nähe der gestochenen Stelle aus, ohne das Gewebe zusammenzudrücken. Wischen Sie die gestochene Stelle mindestens dreimal ab und entnehmen Sie dann die Blutprobe mit einer Mikropipette. Mischen Sie bis zu einem Mikroliter der Blutprobe mit der Gadolinium-Natriummetabisulfit-Lösung im Röhrchen, um die Probe für die Diagnose der Sichelzellkrankheit zu erhalten.

Bereiten Sie zunächst sowohl 25 als auch 250 Millimolare Lösungen von Gadobutrol und Hanks ausgewogener Salzlösung vor. Entnehmen Sie dann eine Blutprobe mit den zuvor beschriebenen Fingerstich- oder Venenpunktionstechniken. Verdünnen Sie etwa einen Mikroliter der Blutprobe um den Faktor 1000 mit einer 25 millimolaren Gadobutrollösung, um die Probe für die Zytometrie der weißen Blutkörperchen zu erhalten.

Um eine zusätzliche Probe zur Bestimmung des Schwebebereichs der weißen Blutkörperchen allein vorzubereiten, geben Sie 5 Mikroliter der Blutprobe zu 500 Mikrolitern Puffer für die Lyse roter Blutkörperchen. Inkubieren Sie die Mischung drei bis fünf Minuten lang bei Raumtemperatur. Bereiten Sie dann eine Lösung aus einem Teil 250 Millimolar Gadoliniumlösung und neun Teilen Lysat vor, um die Lysatprobenlösung mit einer Gadoliniumkonzentration von 25 Millimolar zu erhalten.

Um mit der Probenanalyse zu beginnen, schalten Sie das Gerät ein und stellen Sie es auf eine ebene Fläche. Ziehen Sie die Probe in ein quadratisches Kapillarrohr aus Glas. Sobald das Rohr halb voll ist, versiegeln Sie das Ende mit Kapillarrohrdichtmittel.

Führen Sie die Kapillare in das Magnetschwebemodul des Geräts ein, so dass nur noch ein Zentimeter des Rohres sichtbar bleibt. Lassen Sie die Probe 10 Minuten lang ungestört im Gerät ruhen, um sich auszugleichen. Überprüfen Sie dann, ob die gewünschten Zellen auf dem Bildschirm sichtbar sind.

Drücken Sie die einzelne Messtaste, um das Bild zu speichern. Zeichnen Sie die Analyseergebnisse auf, die automatisch auf dem Bildschirm angezeigt werden. Wenn das Gerät anzeigt, dass zu viele oder zu wenige Zellen auf dem Bildschirm angezeigt werden, bewegen Sie die Kapillare leicht in das Gerät hinein oder aus dem Gerät heraus und äquilibrieren Sie die Probe für weitere 10 Minuten.

Nachdem Sie das erste Bild gespeichert haben, bewegen Sie die Kapillare um etwa 0,5 Zentimeter hinein oder heraus. Lassen Sie die Probe äquilibrieren, und nehmen Sie dann ein weiteres Bild für die Analyse auf. Erfassen Sie Daten aus mindestens fünf Bildern von verschiedenen Positionen auf der Probe, um Fehler zu vermeiden.

Speichern Sie die Bilder auf dem Gerät oder auf einem USB-Laufwerk. Wenn Sie fertig sind, nehmen Sie die Probe aus dem Gerät und entsorgen Sie sie ordnungsgemäß. Stecken Sie zunächst ein Smartphone in die Magnetschwebevorrichtung.

Stellen Sie sicher, dass die Smartphone-Kamera mit dem Magnetschwebemodul ausgerichtet ist. Befestigen Sie das Smartphone aufrecht auf einem Ständer auf einer ebenen Fläche. Führen Sie die Kapillare in das Schwebemodul ein und befestigen Sie den Mikropumpenschlauch an jedem Ende.

Setzen Sie das Probenfläschchen in den Probenhalter ein. Starten Sie dann die Smartphone-App. Schalten Sie die Mikropumpe ein und stellen Sie auf dem ersten Bildschirm die Parameter für Durchflussmenge und LED-Helligkeit ein.

Sobald die Probe flüssig fließt, wischen Sie nach links, um in den Bildaufnahmemodus zu wechseln. Erwerben Sie mindestens fünf verschiedene Videos. Wählen Sie dann im Analysebereich der App die Option Flow-gestützte Analyse aus und öffnen Sie jede zu analysierende Datei.

Bei der Magnetschwebetechnik werden Blutzellen von Patienten ohne Sichelzellanämie auf eine vorhersagbare Breite beschränkt. Zellen von Patienten mit Sichelzellanämie sind über eine breitere Region verteilt, die nach unten tendiert. Dies spiegelt sich in der Analyse der Einschlussbreiten wider.

Die gesunden Kontrollzellen erscheinen in einer schmalen Bande, während die Sichelzellen in einer breiteren Bande mit weitaus größerer Variation in der Gesamtbreite erscheinen. Auch einzelne Zelltypen mit diskreten Dichtebereichen können mit dieser Methode unterschieden werden, wobei die beste Trennung bei niedrigen Gadoliniumkonzentrationen erreicht wird. Hier wurde die Schwebehöhe der weißen Blutkörperchen aus einer Probe bestimmt, von der die roten Blutkörperchen vor der Analyse lysiert worden waren.

Diese bekannte Schwebehöhe wurde für die Zählung der weißen Blutkörperchen verwendet. Um die Anzahl der weißen Blutkörperchen pro Mikroliter einer von eins bis 1000 verdünnten Probe zu berechnen, wird die Anzahl der auf dem Bild beobachteten Zellen mit 2000 multipliziert. Einmal gemeistert, kann diese Technik in nur 10 Minuten durchgeführt werden, wenn sie richtig ausgeführt wird.

Nach diesem Verfahren können andere Forscher diesen Ansatz nutzen, um medizinische Diagnosetests für eine Reihe von Erkrankungen zu entwickeln.