ריחוף מגנטי יחד עם הדמיה ניידת וניתוח עבור אבחון מחלות
19 בפברואר 2017
אנו מציגים טכניקת ריחוף מגנטי בשילוב עם הדמיה וניתוח אוטומטיים הן במכשיר תואם סמארטפון והן במכשיר עם הדמיה ועיבוד משובצים. זה מיושם כדי למדוד את התפלגות הצפיפות של תאים עם שני יישומים ביו-רפואיים מוכחים: אבחון מחלת תאי חרמש והפרדת תאי דם לבנים ואדומים.
המטרה הכוללת של תהליך זה היא לבצע ניתוח תאים מבוסס צפיפות עבור יישומי אבחון רפואיים שונים על ידי מדידת התפלגות משתנה של אוכלוסיית תאים או על ידי הפרדת סוגי תאים על סמך הצפיפות האופיינית להם. שיטה זו יכולה לעזור לפתור אתגר מרכזי בהנדסה ביו-רפואית לביצוע דרכים תאיות חשובות: אבחון רפואי במסגרות קליניות או במדינות מתפתחות. היתרון העיקרי של טכניקה זו הוא שהיא אינה דורשת הרבה ציוד או הכנה והיא יכולה להיעשות כמעט על ידי כל אחד.
ההשלכות של טכניקה זו משתרעות על אבחון תאי חרמש מכיוון שמכשיר זה יכול לכמת את הצפיפות המוגברת וקצב הריחוף המופחת הנגרם על ידי תנאי חמצן נמוכים בתאי חרמש. למרות ששיטה זו שימושית לבדיקות אבחון רפואיות כפי שמודגם כאן, ניתן ליישם אותה גם על בדיקות ציטומטריות אחרות מבוססות צפיפות על ידי שינוי הדגימה ושינוי התוכנה. ראשית, הכינו 10 מיליליטר מתמיסה של 50 מילי-מולרית של תמיסת מלח מאוזנת של גדובוטרול והנקס.
לאחר מכן הוסף נתרן מטאביסולפיט כדי להשיג ריכוז של 10 מילי-מולרי בתמיסת גדוליניום. מניחים 100 מיקרוליטר מתמיסת המלאי של גדוליניום נתרן מטאביסולפיט בצינור מיקרוצנטריפוגה. השג דגימת דם בטכניקות ניקור ורידים סטנדרטיות או באמצעות מקל אצבע.
כדי לאסוף את דגימת האצבע, הפעל לחץ ליד המקום המנוקב מבלי לסחוט את הרקמה. נגב את המקום המנוקב לפחות שלוש פעמים, ולאחר מכן אסוף את דגימת הדם בעזרת מיקרופיפטור מערבבים עד מיקרוליטר אחד של דגימת הדם עם תמיסת גדוליניום נתרן מטביסולפיט בצינור כדי לקבל את הדגימה לאבחון מחלת תאי חרמש.
ראשית, הכינו תמיסות של 25 ו-250 מילי-מולר של תמיסת מלח מאוזנת של גדובוטרול והנקס. לאחר מכן, רכוש דגימת דם באמצעות טכניקות מקל האצבע או ניקור הוורידים שתוארו קודם לכן. יש לדלל כמיקרוליטר אחד של דגימת הדם בפקטור של 1000 עם תמיסת גדובוטרול של 25 מילי-מולרית כדי לקבל את הדגימה לציטומטריה של תאי דם לבנים.
כדי להכין דגימה נוספת לקביעת טווח הריחוף של תאי הדם הלבנים בלבד, הוסף 5 מיקרוליטר של דגימת הדם ל-500 מיקרוליטר של מאגר ליזה של כדוריות דם אדומות. דגרו על התערובת בטמפרטורת החדר למשך שלוש עד חמש דקות. לאחר מכן, הכינו תמיסה של חלק אחד של תמיסת גדוליניום של 250 מילי-מולרית ותשעה חלקים ליזאט כדי להשיג את תמיסת דגימת הליזאט עם ריכוז גדוליניום של 25 מילימולר.
כדי להתחיל בניתוח דגימה, הפעל את המכשיר והנח אותו על משטח ישר. צייר את הדגימה לתוך צינור נימי זכוכית מרובע. לאחר שהצינור מלא למחצה, אטום את הקצה עם איטום צינור נימי.
הכנס את הנימים למודול הריחוף המגנטי של המכשיר, כך שרק סנטימטר אחד מהצינור יישאר גלוי. אפשר לדגימה לשבת ללא הפרעה במכשיר למשך 10 דקות כדי לאזן. לאחר מכן, בדוק שהתאים המעניינים גלויים על המסך.
לחץ על לחצן המדידה הבודד כדי לשמור את התמונה. הקלט את תוצאות הניתוח המוצגות אוטומטית על המסך. אם המכשיר מציין שיותר מדי או מעט מדי תאים נמצאים על המסך, הזז מעט את הנימים פנימה או החוצה מההתקן ואזן את הדגימה למשך 10 דקות נוספות.
לאחר שמירת התמונה הראשונה, הזז את הנימים פנימה או החוצה בכ- 0.5 סנטימטרים. אפשר לדגימה להתאזן, ולאחר מכן רכוש תמונה נוספת לניתוח. רכוש נתונים מלפחות חמש תמונות ממיקומים שונים במדגם כדי למנוע שגיאות.
שמור את התמונות בהתקן או בכונן USB. לאחר שתסיים, הסר את הדגימה מהמכשיר והשליך אותה כראוי. ראשית, הכנס סמארטפון למכשיר הריחוף המגנטי.
ודא שמצלמת הסמארטפון תואמת את מודול הריחוף המגנטי. אבטח את הטלפון החכם זקוף על מעמד על משטח ישר. הכנס את הנימים למודול הריחוף והצמד את צינור המיקרו-משאבה לכל קצה.
הנח את בקבוקון הדגימה במחזיק המדגם. לאחר מכן, הפעל את אפליקציית הסמארטפון. הפעל את המיקרו-משאבה והגדר את הפרמטרים לקצב הזרימה ובהירות ה- LED במסך הראשון.
לאחר שהדגימה זורמת בצורה חלקה, החלק שמאלה כדי להיכנס למצב לכידת תמונה. רכוש לפחות חמישה סרטונים שונים. לאחר מכן, במקטע הניתוח של האפליקציה, בחר ניתוח בסיוע זרימה ופתח כל קובץ לניתוח.
כאשר הם נתונים לריחוף מגנטי, תאי דם מחולים ללא מחלת תאי חרמש מוגבלים לרוחב צפוי. תאים מחולים עם מחלות תאי חרמש מפוזרים על פני אזור רחב יותר הנוטה כלפי מטה. הדבר בא לידי ביטוי בניתוח רוחבי הכליאה.
תאי הביקורת הבריאים מופיעים ברצועה צרה, ואילו תאי המגל מופיעים ברצועה רחבה יותר עם הרבה יותר שונות ברוחב הכולל. ניתן להבדיל בין סוגי תאים בודדים עם טווחי צפיפות בדידים בשיטה זו עם ההפרדה הטובה ביותר המושגת בריכוזי גדוליניום נמוכים. כאן, גובה הריחוף של תאי הדם הלבנים נקבע מדגימה שתאי הדם האדומים שלה עברו ליזה לפני הניתוח.
גובה הריחוף הידוע הזה שימש לספירת תאי דם לבנים. כדי לחשב את מספר תאי הדם הלבנים למיקרוליטר של דגימה מדוללת באחד עד 1000, מספר התאים הנצפים בתמונה מוכפל ב-2000. לאחר שליטה, ניתן לבצע טכניקה זו תוך 10 דקות בלבד אם היא מבוצעת כראוי.
בעקבות הליך זה, חוקרים אחרים יכולים להשתמש בגישה זו כדי לפתח בדיקות אבחון רפואיות למגוון מצבים רפואיים.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מאמר זה מציג טכניקת ריחוף מגנטי לניתוח תאיים מבוסס צפיפות, הישומה באבחון רפואי. השיטה שימושית במיוחד לאבחון אנמיה חללית ולהפרדה של סוגים שונים של תאי דם.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- הנדסה ביו-רפואית
- ניתוח תאי
- דיאגנוסטיקה רפואית
רקע
- ניתוח תאיים מבוסס דחיסות הוא קריטי עבור יישומים רפואיים שונים.
- שיטות נוכחיות דורשות לעיתים קרובות ציוד והכנה נרחבים.
- טכניקה זו שואפת לפשט את התהליך לנגישות רחבה יותר.
- היא נותנת מענה לאתגרים באבחון מצבים כגון מחלת חרדל (sickle cell disease).
מטרת המחקר
- פיתוח שיטה למדידת התפלגויות צפיפות תאים.
- סיוע באבחון של מחלת חלושית (sickle cell disease).
- מתן אפשרות להפרדה של תאי דם לבנים ואדומים על בסיס צפיפות.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- טכניקת ריחוף מגנטי לניתוח תאי.
- מערכות דימות וניתוח אוטומטיות.
- מכשירים התואמים לסמארטפונים ולדימות מוטמעת.
- הכנה של תמיסת gadobutrol לבדיקה.
תוצאות עיקריות
- הטכניקה מודדת בהצלחה התפלגויות צפיפות של תאים.
- היא מפגינה יעילות באבחון של מחלת תאי חורש (sickle cell disease).
- הושגה הפרדה של סוגי תאי דם על בסיס צפיפות.
- השיטה נגישה ודורשת ציוד מינימלי.
מסקנות
- טכניקה זו של ריחוף מגנטי מציעה גישה מבטיחה לאבחון רפואי.
- ניתן להתאימה לבדיקות ציטומטריות שונות המבוססות על צפיפות.
- לשיטה זו פוטנציאל לשימוש במסגרות קליניות ובמדינות מתפתחות.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית לדרג ניהולי
פלטפורמה זו לריחוף מגנטי נותנת מענה לצורך באבחון נגיש בנקודת הטיפול (point-of-care), על ידי כך שהיא מאפשרת ניתוח תאי מבוסס צפיפות עם מינימום ציוד והכשרה למשתמש. היא תומכת בגילוי מוקדם של מחלות ובפרופיל המטולוגי בסביבות עם משאבים מוגבלים, ובכך מפחיתה את ההסתמכות על מעבדות מרכזיות. הטכנולוגיה מרחיבה את הטווח האבחנתי ואת הגמישות התפעולית עבור יוזמות בריאות עולמיות.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח ביו-פרמצבטיקה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר חקירה של פנוטיפים של צפיפות הקשורים למחלה, כגון דפורמציה של תאי דם חורש ביתר (sickle cell) תחת היפוקסיה, ובכך תומך בתיקוף מכניסטי של מטרות.
- ערך תפעולי: מספק בדיקה מהירה, הדורשת ציוד מינימלי, לתיקוף תפקודי של סממנים ביולוגיים מבוססי צפיפות במודלים פרה-קליניים.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: מייצר קריאות כמותיות של התפלגות צפיפות, אשר ניתן להשתמש בהן להקמת חלונות בדיקה (assay windows) לסריקת תרכובות במודלים של מחלות המטולוגיות.
- ערך תפעולי: מציע פורמט סטנדרטי ונייד להפרדה ואנליזה שחזירות של תאים, ובכך מקל על העברת הבדיקה בין אתרים שונים.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: תומך ברציפות תרגומית על ידי אפשור פנוטיפציה מבוססת צפיפות מדגמי גילוי ועד לאישור פרה-קליני תוך שימוש באותו עיקרון מדידה.
- ערך תפעולי: מאפשר ניטור עקבי של שינויים באוכלוסיות תאים במודלים של מחלות, דבר המסייע בקבלת החלטות על קידום השלבים בהתאם לסיכונים.
שילוב תהליכי עבודה וצינור עיבוד
השיטה משתלבת ברצף שבין שלב הגילוי לשלב הפרה-קליני על ידי אספקת נתונים פנוטיפיים מבוססי צפיפות, שיכולים להנחות את בחירת המטרה, את המוכנות של הבדיקה ואת ההתאמה של סמנים ביולוגיים תרגומיים.
- ביולוגיה של גילוי: תומך בבדיקת השערות לגבי שינויים בצפיפות הקשורים למחלות, ומאפשר הפחתת סיכונים ביולוגיים של מטרים המעורבים בפתופיזיולוגיה תאית.
- סריקה: מספק פלטיים כמותיים מוכנים לבדיקה להערכת השפעות של תרכובות על התפלגות צפיפות תאים במודלים מבוססי דם.
- אנליטיקה: מספק ניתוח תמונה אוטומטי של רוחב ההגבלה וגובה הריחוף, המאפשר השוואה סטטיסטית בין תנאים ניסיוניים שונים.
- מחקר תרגומי: מתחבר לזרימות עבודה פרה-קליניות על ידי מתן אפשרות למעקב אורך של פנוטיפים של צפיפות במודלים של מחלות באמצעות פרוטוקולי מדידה זהים.
- שימוש חוזר ארגוני: משמש כפלטפורמה לשימוש חוזר עבור אינדיקציות מרובות על ידי התאמת הכנת הדגימות והניתוח התוכנתי, ובכך ממקסם את ההשקעה בתשתית.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון בחיזוי על ידי קישור שינויים בצפיפות התאית לפנוטיפים של מחלות, ובכך מפחית עמימות לגבי מנגנון המטרה.
- ערך תפעולי: משפר את השחזוריות והיכולת להרחבה (scalability) באמצעות דגימה סטנדרטית מבוססת קפילרות וניתוח תמונות אוטומטי.
- ערך אסטרטגי: משפר את קבלת החלטות של "המשך/עצור" (go/no-go) על ידי מתן אפשרות לסטרטפיקציה מוקדמת של מודלי מחלות המבוססת על צפיפות, ובכך מפחית נשירה בשלבים מאוחרים.
- השפעה על הפורטפוליו: תומך בתעדוף מותאם סיכונים של תוכניות למחלות המטולוגיות ומחלות זיהומיות באמצעות סריקה פנוטיפית נגישה.
שיקולי יישום
- דורש הכשרה בסיסית בטיפול בנימיות ובהכנת דגימות לקבלת תוצאות עקביות.
- תלוי בגישה למודולי לביטציה מגנטית ומערכות דימות תואמות (סמארטפון או מצלמה מובנית).
- מחייב סטנדרטיזציה של ריכוזי gadobutrol וזמני שיווי משקל בין אתרי המשתמשים.
- יש להתחשב בשונות בצמיגות ובטמפרטורה של הדגימה בעת התאמה לנוזלים ביולוגיים או למערכות מודל שונות.
- מוגבל להבחנות מבוססות צפיפות; לא ניתן להבחין בין תאים בעלי תכונות ציפה חופפות ללא סמנים אורתוגונליים.
שאלות נפוצות בביופארמה
Chapters in this video
0:05
Title
1:13
Sample Preparation for Sickle Cell Disease Diagnosis
2:16
Sample Preparation for White Blood Cell (WBC) Cytometry
3:19
Sample Analysis with the Self-contained Magnetic Levitation Platform
4:54
Sample Analysis with a Flow-assisted Smartphone-compatible Device
6:02
Results: Cell Density Distribution Analysis
7:14
Conclusion
