Lévitation magnétique Couplé avec imagerie portable et d'analyse pour le diagnostic de la maladie

Résumé

Nous présentons une technique de lévitation magnétique couplée à l’imagerie et à l’analyse automatisées à la fois dans un appareil compatible avec un smartphone et un appareil avec imagerie et traitement intégrés. Ceci est appliqué pour mesurer la distribution de la densité des cellules avec deux applications biomédicales démontrées : le diagnostic de la drépanocytose et la séparation des globules blancs et rouges.

Résumé

Actuellement, de nombreuses procédures de diagnostic clinique sont complexes, coûteuses, inefficaces et inaccessibles à une large population dans le monde. Les exigences en matière d’équipement spécialisé et de personnel formé exigent que de nombreux tests de diagnostic soient effectués dans des laboratoires cliniques distants et centralisés. La lévitation magnétique est une technique simple mais puissante qui peut être appliquée pour faire léviter des cellules, qui sont suspendues dans une solution paramagnétique et placées dans un champ magnétique, à une position déterminée par l’équilibre entre une force magnétique et une force de flottabilité. Ici, nous présentons une technologie de plate-forme polyvalente conçue pour le diagnostic au point d’intervention qui utilise la lévitation magnétique couplée à l’imagerie microscopique et à l’analyse automatisée pour déterminer la distribution de la densité des cellules d’un patient comme indicateur de diagnostic utile. Nous présentons deux plates-formes fonctionnant sur ce principe : (i) une version compatible avec les smartphones de la technologie, où l’appareil photo intégré du smartphone est utilisé pour imager les cellules dans le champ magnétique et une application pour smartphone traite les images et pour mesurer la distribution de la densité des cellules et (ii) une version autonome où une carte de caméra est utilisée pour capturer des images et une unité de traitement intégrée avec un écran à transistor à couche mince (TFT) mesure et affiche les résultats. Les applications démontrées comprennent : (i) la mesure de la distribution altérée d’une population cellulaire avec un phénotype de maladie par rapport à un phénotype sain, qui est appliquée au diagnostic de la drépanocytose, et (ii) la séparation de différents types de cellules en fonction de leurs densités caractéristiques, qui est appliquée pour séparer les globules blancs des globules rouges pour la cytométrie des globules blancs. Ces applications, ainsi que les extensions futures des mesures essentielles basées sur la densité rendues possibles par cette technologie de plate-forme portable et conviviale, amélioreront considérablement les capacités de diagnostic des maladies au point de service.

Introduction

Ici, nous présentons une plate-forme technologique et une technique qui utilise la lévitation magnétique couplée à l'imagerie et l'analyse automatisé pour analyser la répartition de la densité des cellules d'un patient comme un indicateur de la maladie. Cette approche polyvalente pour l'analyse cytométrique basé sur la densité peut finalement être appliquée à une gamme de diagnostics de la maladie. Toutefois, afin d'être compatible avec les tests de point de soins et d'utilisation dans les pays en développement, la technique doit satisfaire aux exigences de faible coût, la portabilité et la facilité d'utilisation. Le dispositif et les consommables doivent être obtenus facilement à un faible coût. La préparation de l'échantillon doit être simple, l'analyse doit être automatisé avec des exigences minimales pour l'entrée ou l'interprétation utilisateur, et les résultats doivent être retournés rapidement. En outre, l'appareil doit être compact et portable pour être utile dans les milieux cliniques, ainsi que les pays en développement. Ainsi, nous avons développé un dispositif et un procédé pour utiliser sustentation magnétique au point-of-care compatible technollogie par couplage automatisé d'imagerie et d'analyse d'images pour retourner des résultats en ce qui concerne la distribution de densité d'une population de cellules d'un patient.

technologies de point de soins offrent un avantage notable par rapport aux procédures cliniques en cours d'essais en laboratoire. La technologie actuellement disponible est trop cher pour être détenue par un clinicien ou trop complexe pour être effectué par le personnel médical. Bon nombre de ces procédures nécessitent des protocoles de main-d'œuvre qui doivent être effectuées par un technicien qualifié. Pour ces raisons, les échantillons de patients tels que le sang ou l'urine sont généralement recueillies dans le bureau du médecin puis transféré à un laboratoire d'essai centralisé à distance pour les essais cliniques, ce qui peut prendre plusieurs jours pour le médecin de recevoir les résultats de l'essai. Cela peut entraîner des retards ou des complications au cours du traitement dans certains cas, rend ce test très coûteux et inefficace (entraînant un fardeau financier pour les contribuables d'assurance), et fait encore beaucoupdiagnostics inaccessibles dans les milieux à faibles ressources et les pays en développement.

Ici, nous présentons une technique de lévitation magnétique couplée à l' imagerie automatisée et d' analyse à la fois un dispositif d'imagerie embarqué et le traitement (Figure 1) et un dispositif de smartphone compatible (Figure 2). Ces dispositifs à base de lévitation magnétique constituent une plate-forme technologique largement applicable qui a le potentiel d'être appliquée à toute une gamme de différentes applications de diagnostic médical. Les fonctions magnétiques d'approche de sustentation basé sur un équilibre entre deux forces: une force magnétique et une force de flottabilité ^{1, 2, 3.} Lorsqu'une particule en suspension dans un milieu paramagnétique et inséré dans un champ magnétique généré par deux aimants avec des pôles analogues se faisant face, une force magnétique agit sur la particule dans la direction vers la ligne médiane entre les deux magn ets. La force de poussée est provoqué par la densité relative de la particule par rapport au milieu de suspension et vers le haut dans le cas de particules moins denses que le milieu et vers le bas dans le cas des particules plus denses que le milieu environnant. Sur la base de ces deux forces, les particules atteignent une position d'équilibre de sustentation dans le domaine qui équilibre ces deux forces; cette position est directement liée à la densité de la particule, avec les particules plus denses en lévitation dans le champ plus faible que les particules les moins denses. Un module d'imagerie, soit un appareil photo intégré smartphone ^{4, 5, 6} ou composants optiques indépendants équipés d'une lentille grossissante ^{7, 8,} sont utilisés pour visualiser les positions des particules. Traitement d'image, soit par le biais d' une application smartphone ^{4, 5,}= "référence externe"> 6 ou une unité de traitement intégrée ^{7, 8,} puis traite les images capturées pour quantifier la répartition spatiale et, par conséquent, la répartition de la densité de la population. Afin d'analyser des échantillons plus importants (tels que ceux avec seulement quelques particules d'intérêt par millilitre, le débit peut être intégré directement dans le dispositif de telles particules sont léviter et analysées lors de leur passage à travers la région d'imagerie (Figure 2).

Figure 1: Magnetic Levitation Plate - forme autonome. (A) Dispositif de lévitation magnétique comprenant un module compact focalisation magnétique, les composants d'imagerie (une diode électroluminescente (DEL), une lentille optique, et un détecteur de la caméra), et une unité de traitement avec un écran d'affichage. (B) l' intensité du champ magnétique dans le cross-section de la zone entre les aimants lorsque l'échantillon est inséré. La force du champ est la plus grande à la surface des aimants et se rapproche de zéro à la ligne médiane entre elles. (C) des particules, telles que des cellules, dans les expériences de champ magnétique de plusieurs forces: une force magnétique (F _m) vers la ligne médiane entre les composants magnétiques, avec la grandeur variant en fonction de la position de la particule; une force de gravitation (F _g) qui dépend de la densité des particules par rapport à celle du milieu de suspension, et une force d'entraînement (F _D) résistant à la requête de la particule. Reproduit avec permission, de Yenilmez, et al. ⁸ S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

figueure 2: Plate-forme Levitation Smartphone compatible Flow-assistée magnétique. (A - c) Avant (a), côté (b), et à l' arrière (c) des vues de dispositif magnétique à lévitation (d) Les composants du dispositif comprennent: 1) module de sustentation magnétique, y compris des aimants permanents, une lentille grossissante, et un diffuseur de LED et de la lumière, 2) cas smartphone, 3) l'électronique, y compris un microcontrôleur, le pilote de la pompe, et le récepteur Bluetooth, 4) porte micro-pompe, 5) orifice réglable, 6) porte-tube de déchets, 7) support de batterie, 8 ) porte-échantillon, 9) support à double usage et de la couverture. (E) d' écoulement schématique, montrant le pompage de l'échantillon à travers le champ magnétique. (F) La section du module de sustentation magnétique, montrant comment les particules de différentes densités seront alignées comme ils sont pompés à travers le champ; moins des particules denses, telles que des particules 1, vont équilibrer à une meilleure sustentation hauteur than particules plus denses, comme les particules 2. Reproduit avec permission, de Amin, et al. ¹ S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Les exigences minimales pour l'utilisation d'un échantillon pour l'analyse de la distribution de densité de ce système comprennent la possibilité d'obtenir une suspension de cellules ou de particules supérieures à environ 5 um et inférieure à environ 250 um (pour l'imagerie et le traitement d'image) et sa compatibilité avec le mélange dans une solution d'une solution paramagnétique tel que le gadobutrol utilisée ici. Pour le diagnostic des maladies, des applications compatibles comprennent ceux dans lesquels: (i) des cellules d'intérêt ont intrinsèquement une densité modifiée quand ils portent une maladie par rapport aux témoins sains, (ii) un changement de densité peut être induite dans la cellule par addition d'un réactif ou d'un traitement alternatif pour un courtTemps de cubation, ou (iii) différents types de cellules sont identifiées dans un échantillon unique et par nature (ou par l' intermédiaire d' un traitement) ont des densités caractéristiques uniques.

La drépanocytose est une maladie génétique provoquant une forme mutée de l' hémoglobine, HbS, à produire des globules rouges d'une personne (hématies), ce qui peut entraîner des événements vaso-occlusifs intermittents et une anémie hémolytique chronique ^9. Il est diagnostiqué en utilisant soit l'hémoglobine isoélectrofocalisation, chromatographie liquide à haute performance (CLHP) fractionnement ou électrophorèse de l'hémoglobine qui sont très précis mais doit être effectué dans un laboratoire d'essais cliniques parce qu'ils sont incompatibles avec les paramètres de point de soins. La solubilité et les tests à base de papier pour la drépanocytose ont été proposées, mais nécessitent généralement l'interprétation subjective de l'utilisateur et des tests de confirmation. Ici, nous utilisons une approche basée sur la densité pour identifier hématies falciformes, qui atteignent une densité supérieure à RBCs de personnes sans maladie drépanocytaire. Le mécanisme implique la polymérisation de la forme mutée de l' hémoglobine, HbS, ce qui provoque la déshydratation chez RBC falciformes hématies de la maladie des cellules dans des conditions désoxygéné ^{10, 11, 12, 13.}

Cette approche basée sur la densité peut également être appliquée pour séparer les cellules de différents types sur la base de la densité: globules blancs (WBC) et hématies ^7. WBCs sont généralement responsables de la lutte contre les infections dans le corps. WBC cytométrie peut être utilisée pour quantifier le nombre de ces cellules dans le sang et sert d'outil de diagnostic utile. WBC compte supérieur à la normale (généralement considérée comme supérieure à 11.000 cellules par ul) peuvent indiquer une infection, troubles du système immunitaire, ou la leucémie. WBC compte dessous de la normale (environ 3500 cellules par ul) peuvent être causés par des maladies auto-immunes ou conditions qui endommagent la moelle osseuse. Contrairement aux technologies alternatives, le processus présenté ici ne repose pas sur la lyse des globules rouges ou des taches afin d'identifier WBCs. Ce test à base de cellules tire profit des densités intrinsèques particulières des deux types de cellules pour effectuer la séparation, car la densité de population de WBC a été rapportée comme étant inférieure à celle de la population de RBC , tel que calculé précédemment en utilisant un gradient de densité de centrifugation ^{2, 3.}

Par rapport aux essais altérant des sites distants, ce test est rapide, simple , la préparation des échantillons (figure 3), la séparation des cellules dans le dispositif dans les 10 - 15 min, et l' imagerie et l' analyse automatisée qui exige moins de 1 min. De cette façon, le dispositif peut revenir rapidement des résultats pour mieux informer les décisions médicales, permettre un traitement à administrer immédiatement pour soulager la douleur physique et psychologique, et de réduire le risque de complications associATED avec un retard dans les soins médicaux. Cette technique peut être effectuée sur place, soit dans les milieux cliniques en raison de préparation simple de l'échantillon et de l'imagerie automatisée et l'analyse qui renvoie un résultat avec l'entrée minimale de l'utilisateur ou de l'interprétation. En raison de l'utilisation d'une approche simple en utilisant des aimants permanents pour l'analyse de l'échantillon et l'utilisation soit d'un smartphone ou des composants électriques simples pour l'imagerie et de traitement d'image, le dispositif ainsi que les coûts par test sont minimes par rapport à certaines procédures de tests sophistiqués.

Protocole

Déclaration éthique: Toutes les procédures impliquant des échantillons de sang humain ont été effectués selon les règles institutionnelles. Tous les protocoles ont été examinés et approuvés par le comité d'examen institutionnel. Un consentement éclairé a été donné par tous les participants.

Préparation 1. Exemple de drépanocytose Diagnostic ^{5, 8}

1. Préparer une solution à 50 mM de gadobutrol dans une solution saline équilibrée de Hank (HBSS).
2. Dissoudre le métabisulfite de sodium 10 mM dans la solution de gadolinium.
   NOTE: métabisulfite de sodium est toxique par inhalation et irrite la peau et les tissus fortement. Il est un acide corrosif lorsqu'il est mélangé avec de l'eau. Il peut se décomposer pour émettre des fumées toxiques d'oxyde de soufre et de sodium lorsqu'il est chauffé à une température élevée.
3. Obtenir un échantillon de sang soit par fingerstick ou venipuncture.
   1. Prélever le sang en utilisant un dispositif autopiqueur avec un chiffon propre, lancette jetable. appression de plis à proximité du site percé et essuyer la goutte de sang formé de trois à quatre fois avant la collecte de sang à l'aide d'une pipette; prendre soin de ne pas «lait» le doigt en pressant le tissu, car cela va entraîner la contamination de l'échantillon avec le liquide tissulaire.
   2. Sinon, prélever du sang en utilisant des procédures de ponction veineuse standards ^14.
      NOTE: Si les échantillons seront conservés pendant plus de quelques heures, recueillir le sang dans un vacutainer avec un anticoagulant tel que l'EDTA.
4. Ajouter moins de 1 pi de sang pour 100 ul de la solution de métabisulfite de sodium gadolinium.

2. Préparation de l' échantillon pour WBC cytométrie ⁷

1. Obtenir un échantillon de sang soit par fingerstick ou venipuncture, comme dans la section 1.
2. Facultatif: Lyse hématies avec un tampon de lyse RBC. 5 ul de sang dans 500 pi de tampon de lyse RBC et incuber à température ambiante pendant 3 - 5 min.
   REMARQUE:cela peut être fait pour confirmer la gamme de sustentation d'une population isolée de WBCs. Toutefois, il est inutile d'effectuer cette étape, puisque les résultats présentés ici démontrent que les globules rouges en lévitation dans une position nettement inférieure à celle des globules blancs.
3. Diluer sang total 1: 1000 en mM Gd 25 dans HBSS
   REMARQUE: si la lyse cellulaire a été réalisée, diluer l'échantillon lysé 9: 1 échantillon lysé: 250 mM Gd pour obtenir un échantillon contenant mM Gd 25.

3. Analyse des échantillons en utilisant la plate - forme magnétique Lévitation ^{4, 5, 6, 7, 8}

1. Démarrez le dispositif de lévitation magnétique:
   1. Pour le dispositif autonome, branchez l'appareil, laissez-le au pouvoir en place, et placer sur une surface plane.
   2. Pour la version smartphone compatible, lancez l'application smartphone et glisser à gauche pour entrer dans l'imagemode de capture, et les placer sur une surface plane.
2. Pour sustentation magnétique statique:
   1. Chargez l'échantillon préparé dans un tube microcapillaire en verre carré en plongeant l'extrémité dans la solution et permettre à l'échantillon pour remplir le capillaire par action capillaire.
   2. Sceller l'extrémité avec un matériau d'étanchéité tubulaire en poussant lentement une extrémité du tube capillaire dans le matériau.
   3. Insérer le capillaire entre les aimants du dispositif de lévitation magnétique , de sorte que seuls 1 cm du tube reste visible (voir Figure 3 s'il vous plaît pour une illustration de la préparation de l' échantillon).
      REMARQUE: Cette étape reste la même pour le dispositif smartphone compatible et autonome.
   4. Attendre 10 min sans perturber l'appareil ou le capillaire.
3. Pour sustentation magnétique assisté débit:
   1. Charger l'échantillon dans le tube d'échantillon.
   2. Raccorder le tuyau d'entrée entre le conteneur d'échantillon et le microcapillary et raccorder le tuyau de sortie entre le microcapillaire et le conteneur de déchets.
   3. Définissez les paramètres d'intensité et de flux LED.
4. Veiller à ce que les cellules sont visibles dans le champ de vision, puis appuyez sur le bouton de capture pour capturer une image (bouton 3 sur le dispositif autonome et le bouton de la caméra sur le bas de l'écran dans l'application smartphone).
   NOTE: Si une clé USB est utilisé pour stocker les images, créez un dossier nommé "images" et insérer la clé USB avant d'allumer l'appareil. Si aucun lecteur est présent, l'appareil stocke les images dans sa mémoire interne et transféré plus tard.
   NOTE: Plusieurs images peuvent être capturées et analysées afin de réduire le risque d'anomalies en déplaçant le capillaire dans ou à l'extérieur d'environ ½ cm entre la capture d'images.
   NOTE: Si le nombre de cellules dans le champ de vision est trop élevée ou trop faible (comme détecté et signalé sur l'interface utilisateur), déplacer le capillaire dans ou hors de l'appareil ou préparer une autre sample.
5. Retirer l'échantillon et jeter l'échantillon selon les règlements institutionnels ou locaux. Capillaires doivent être éliminés comme un dièse.

Figure 3: Préparation des échantillons et de l' interface utilisateur. (A) La procédure de préparation d'échantillon comprend autopiqueur le doigt du sujet, la formation d' une goutte de sang, le transfert de la goutte de sang dans la solution de test d'échantillon, on a agité l'échantillon et le chargement dans un tube capillaire par action capillaire, et à insérer l'échantillon dans la lévitation magnétique dispositif. (B) Ces étapes de préparation des échantillons sont également affichés sur l'écran de l'appareil pour guider la préparation des échantillons. (C) Le dispositif comporte quatre boutons: un bouton pour zoomer sur l'image de l' échantillon afin d'ajuster correctement la mise au point à l' aide du bouton de réglage; un bouton pour obtenir un seul mesure (retard d'un 5 est mis en œuvre afin de permettre à l'utilisateur d'insérer l'échantillon); une mesure time-lapse (6 images sont prises à 5 de les intervalles); et un bouton pour éteindre l'appareil après utilisation. Reproduit avec permission, de Yenilmez, et al. ⁸ S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

4. Analyse ^{4, 5, 6, 7, 8} Image

1. Exécutez le logiciel d'analyse d'image inclus dans le dispositif de l'échantillon approprié (distribution de cellules ou d'un type cellulaire séparation).
   Remarque: Pour que le dispositif autonome, l'analyse est effectuée automatiquement et affiché sur l'interface utilisateur graphique. Pour le dispositif de smartphone compatible, pour effectuer l'analyse, aller à la galerie d'unNd sélectionner le fichier vidéo désiré à analyser.
2. Observer et enregistrer la sortie de l'analyse affichée à l'écran.
   NOTE: Pour l'analyse de la répartition des cellules (telles que la faucille diagnostic de la maladie de la cellule), la sortie est la largeur de confinement de la population cellulaire.
   NOTE: Pour le type de cellule de séparation (comme l'identification WBC), la sortie sera une image avec la population WBC identifié. Afin de calculer le nombre de cellules par microlitre, il faut multiplier le nombre moyen de globules blancs par image par un facteur de 2000. Par exemple, si 5 globules blancs ont été observés, cela indiquerait 10000 GB / ul. La plage normale est généralement considérée comme 3.500 - 11.000 WBCs / ul.
3. Répéter l'analyse en déplaçant le tube d'échantillon dans ou hors du dispositif d'environ ½ cm et capturer une autre image devant être analysé comme décrit ci-dessus.
   NOTE: Il est recommandé de répéter l'analyse 5 - 6 fois par échantillon pour éviter les erreurs.

Résultats

Pour l'analyse de la répartition de la densité cellulaire, ce qui est la technique utilisée pour le diagnostic des maladies de faucille cellulaire, dont le but est d'identifier la largeur de la distribution de la population cellulaire. Les cellules sanguines des patients sans maladie drépanocytaire seront confinés à l'intérieur d'une largeur prévisible. Les cellules provenant de patients atteints de drépanocytose seront distribués dans une région plus large, avec une inclinaison vers le ...

Discussion

Étapes critiques dans le Protocole
Les facteurs critiques dans ce processus comprennent le bon alignement des aimants. Si les aimants deviennent délogée ou séparés plus que la normale dans le dispositif, cela peut affecter les résultats. Pour contrôler ce défaut ou d'autres dans le processus, une particule de densité contrôlée, tels que des microsphères de polystyrène, peut être utilisé périodiquement pour contrôler les changements au fil du temps. En outre, le temps de lévitation est importante pour permettr...

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
Gadavist (Bayer)	Jefferson Medical and Imaging	2068062	Gadavist contient 1M de gadobutrol, un chélate de gadolinium. Nous avons acheté des flacons de 2 ml avec 15/ca.
Tubes microcapillaires carrés	en verre Vitrocom	8270	longueur de 50 mm est suffisante
Métabisulfite de sodium	Sigma-Aldrich	S9000	Formule chimique : Na2S2O5
Leica Microsystems Scellant pour tubes Critoseal	Fisher Scientific	02-676-20
Hank’s Balanced Salt Solution	Sigma-Aldrich	H9269  ; SIGMA
Trypsine-EDTA	Sigma-Aldrich	T4049	Ou autre réactif recommandé pour le type de cellule utilisé
Autopiqueur réglable MICROLET 2	Walgreens	246567	Tout autopiqueur est acceptable lorsqu’il est utilisé conformément aux protocoles de biosécurité
Microlet Lances	Walgreens	667474	Doit être jetable et non réutilisé
Hausser Bright-Line Phase Hemacytometer	Fisher Scientific	02-671-6	Ou toute méthode préférée pour le comptage
cellulaire Tampon de lyse ACK	ThermoFisher	A1049201  ;