Levitazione magnetica Accoppiato con Imaging portatile e analisi per la malattia di diagnostica
19 febbraio 2017
Presentiamo una tecnica di levitazione magnetica accoppiata con imaging e analisi automatizzate sia in un dispositivo compatibile con smartphone che in un dispositivo con imaging ed elaborazione incorporati. Questo viene applicato per misurare la distribuzione della densità delle cellule con due applicazioni biomediche dimostrate: la diagnosi dell'anemia falciforme e la separazione dei globuli bianchi e rossi.
L'obiettivo generale di questo processo è quello di eseguire analisi cellulari basate sulla densità per varie applicazioni diagnostiche mediche, misurando la distribuzione alterata di una popolazione cellulare o separando i tipi di cellule in base alle loro densità caratteristiche. Questo metodo può aiutare a risolvere una sfida chiave nell'ingegneria biomedica per eseguire importanti diagnostiche mediche in contesti clinici o nei paesi in via di sviluppo. Il vantaggio principale di questa tecnica è che non richiede molta attrezzatura o preparazione e può essere eseguita da quasi tutti.
Le implicazioni di questa tecnica si estendono alla diagnosi dell'anemia falciforme perché questo dispositivo è in grado di quantificare l'aumento della densità e la diminuzione del tasso di levitazione causati da condizioni di basso ossigeno nell'anemia falciforme. Sebbene questo metodo sia utile per i test diagnostici medici, come dimostrato qui, può essere applicato anche ad altri test citometrici basati sulla densità alterando il campione e modificando il software. Per prima cosa, preparare 10 millilitri di una soluzione da 50 millimolari di gadobutrolo e soluzione salina bilanciata di Hanks.
Quindi aggiungere metabisolfito di sodio per ottenere una concentrazione di 10 millimolari nella soluzione di gadolinio. Mettere 100 microlitri della soluzione madre di metabisolfito di sodio gadolinio in una provetta da microcentrifuga. Ottenere un campione di sangue con le tecniche standard di venipuntura o con il pungidito.
Per raccogliere il campione del polpastrello, applicare pressione vicino al sito perforato senza schiacciare il tessuto. Pulire il sito perforato almeno tre volte, quindi raccogliere il campione di sangue con un micropipettatore. Mescolare fino a un microlitro di campione di sangue con la soluzione di gadolinio e sodio metabisolfito nella provetta per ottenere il campione per la diagnosi dell'anemia falciforme.
Per prima cosa, preparare entrambe le soluzioni da 25 e 250 millimolari di gadobutrolo e la soluzione salina bilanciata di Hanks. Quindi, acquisire un campione di sangue utilizzando le tecniche di puntura del polpastrello o venipuntura descritte in precedenza. Diluire circa un microlitro del campione di sangue di un fattore 1000 con una soluzione di gadobutrolo 25 millimolare per ottenere il campione per la citometria dei globuli bianchi.
Per preparare un campione aggiuntivo per determinare l'intervallo di levitazione dei soli globuli bianchi, aggiungere 5 microlitri di campione di sangue a 500 microlitri di tampone di lisi dei globuli rossi. Incubare la miscela a temperatura ambiente per tre-cinque minuti. Quindi, preparare una soluzione di una parte di gadolinio da 250 millimolari e nove parti di lisato per ottenere la soluzione del campione di lisato con una concentrazione di gadolinio di 25 millimolari.
Per iniziare l'analisi del campione, accendere il dispositivo e posizionarlo su una superficie piana. Aspirare il campione in un tubo capillare quadrato di vetro. Una volta che il tubo è pieno a metà, sigillare l'estremità con sigillante per tubi capillari.
Inserire il capillare nel modulo di levitazione magnetica del dispositivo, in modo che rimanga visibile solo un centimetro del tubo. Lasciare riposare il campione indisturbato nel dispositivo per 10 minuti per equilibrarsi. Quindi, controlla che le celle di interesse siano visibili sullo schermo.
Premere il pulsante di misurazione singola per salvare l'immagine. Registra i risultati dell'analisi visualizzati automaticamente sullo schermo. Se il dispositivo indica che sullo schermo sono presenti troppe o troppo poche cellule, spostare leggermente il capillare all'interno o all'esterno del dispositivo ed equilibrare il campione per altri 10 minuti.
Dopo aver salvato la prima immagine, spostare il capillare verso l'interno o verso l'esterno di circa 0,5 centimetri. Lasciare che il campione si equilibri, quindi acquisire un'altra immagine per l'analisi. Acquisire dati da almeno cinque immagini da posizioni diverse sul campione per evitare errori.
Salvare le immagini sul dispositivo o su un'unità USB. Una volta terminato, rimuovere il campione dal dispositivo e smaltirlo in modo appropriato. Innanzitutto, inserisci uno smartphone nel dispositivo di levitazione magnetica.
Assicurarsi che la fotocamera dello smartphone sia in linea con il modulo di levitazione magnetica. Fissare lo smartphone in posizione verticale su un supporto su una superficie piana. Inserire il capillare nel modulo di levitazione e collegare il tubo della micropompa a ciascuna estremità.
Posizionare la fiala del campione nel supporto del campione. Quindi, avvia l'app per smartphone. Accendere la micropompa e impostare i parametri per la portata e la luminosità del LED nella prima schermata.
Una volta che il campione scorre senza intoppi, scorri verso sinistra per accedere alla modalità di acquisizione dell'immagine. Acquisisci almeno cinque video diversi. Quindi, nella sezione di analisi dell'app, selezionare l'analisi assistita dal flusso e aprire ogni file da analizzare.
Quando vengono sottoposte a levitazione magnetica, le cellule del sangue di pazienti senza anemia falciforme sono confinate a un'ampiezza prevedibile. Le cellule dei pazienti affetti da anemia falciforme sono distribuite in una regione più ampia con tendenza al ribasso. Ciò si riflette nell'analisi delle larghezze di confinamento.
Le cellule di controllo sane appaiono in una banda stretta, mentre le cellule falciformi appaiono in una banda più ampia con una variazione molto maggiore nella larghezza complessiva. Con questo metodo è possibile differenziare anche i singoli tipi di cellule con intervalli di densità discreti, ottenendo la migliore separazione a basse concentrazioni di gadolinio. Qui, l'altezza di levitazione dei globuli bianchi è stata determinata da un campione di cui i globuli rossi erano stati lisati prima dell'analisi.
Questa altezza di levitazione nota è stata utilizzata per il conteggio dei globuli bianchi. Per calcolare il numero di globuli bianchi per microlitro di un campione diluito da uno a 1000, il numero di cellule osservate nell'immagine viene moltiplicato per 2000. Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere eseguita in soli 10 minuti se eseguita correttamente.
Seguendo questa procedura, altri ricercatori possono utilizzare questo approccio per sviluppare test diagnostici medici per una serie di condizioni mediche.
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Panoramica
Questo articolo presenta una tecnica di levitazione magnetica per l'analisi cellulare basata sulla densità, applicabile nella diagnostica medica. Il metodo è particolarmente utile per la diagnosi della drepanocitosi e per la separazione di diversi tipi di cellule del sangue.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Ingegneria biomedica
- Analisi cellulare
- Diagnostica medica
Sfondo
- L'analisi cellulare basata sulla densità è fondamentale per diverse applicazioni mediche.
- I metodi attuali richiedono spesso apparecchiature e preparazioni complesse.
- Questa tecnica mira a semplificare il processo per renderlo più accessibile.
- Si propone di affrontare le difficoltà nella diagnosi di patologie come la malattia falciforme.
Scopo dello studio
- Sviluppare un metodo per la misurazione delle distribuzioni di densità cellulare.
- Facilitare la diagnosi della drepanocitosi.
- Permettere la separazione dei globuli bianchi e dei globuli rossi in base alla densità.
Metodi Utilizzati
- Tecnica di levitazione magnetica per l'analisi cellulare.
- Sistemi automatizzati di acquisizione immagini e analisi.
- Dispositivi compatibili con smartphone e imaging integrato.
- Preparazione di una soluzione di gadobutrol per test.
Risultati principali
- La tecnica misura con successo le distribuzioni di densità delle cellule.
- Dimostra efficacia nella diagnosi della drepanocitosi.
- La separazione dei tipi di cellule del sangue è stata ottenuta in base alla densità.
- Il metodo è accessibile e richiede attrezzature minime.
Conclusioni
- Questa tecnica di levitazione magnetica offre un approccio promettente per la diagnostica medica.
- Può essere adattata per vari test citometrici basati sulla densità.
- Il metodo ha potenzialità per l'uso in ambito clinico e nei paesi in via di sviluppo.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Progetto
Questa piattaforma di levitazione magnetica risponde alla necessità di diagnosi accessibili e vicine al paziente, permettendo l'analisi cellulare basata sulla densità con attrezzature minime e ridotta formazione dell'operatore. Consente la rilevazione precoce di malattie e il profilo ematologico in contesti con risorse limitate, riducendo la dipendenza da laboratori centralizzati. La tecnologia amplia la portata diagnostica e la flessibilità operativa per le iniziative di salute globale.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Target
- Valore scientifico: Consente l'analisi di fenotipi di densità associati a malattie, come la deformazione delle cellule falciformi in condizioni di ipossia, supportando la validazione meccanicistica di bersagli terapeutici.
- Valore operativo: Fornisce un saggio rapido e poco dispendioso in termini di attrezzature per la validazione funzionale di biomarcatori basati sulla densità in modelli preclinici.
Sviluppo di screening e saggi
- Valore scientifico: Genera letture quantitative della distribuzione della densità che possono essere utilizzate per definire finestre sperimentali per lo screening di composti in modelli di malattie ematologiche.
- Valore operativo: Offre un formato standardizzato e trasportabile per la separazione e l'analisi cellulare riproducibile, facilitando il trasferimento dell'assay tra diversi siti.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Valore scientifico: Supporta la continuità traslazionale consentendo la fenotipizzazione basata sulla densità da campioni di scoperta fino alla validazione preclinica, utilizzando lo stesso principio di misurazione.
- Valore operativo: Permette un monitoraggio costante delle variazioni delle popolazioni cellulari nei modelli di malattia, fornendo informazioni per decisioni di avanzamento con rischio adeguatamente valutato.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Il metodo si inserisce nel percorso dalla scoperta alla fase preclinica fornendo dati fenotipici basati sulla densità che possono orientare la selezione del bersaglio, la preparazione dei saggi e l'allineamento dei biomarcatori traslazionali.
- Biologia della scoperta: Supporta la verifica di ipotesi riguardo ai cambiamenti di densità associati a malattie, consentendo la riduzione del rischio biologico per bersagli coinvolti nella patofisiologia cellulare.
- Screening: Fornisce output quantitativi pronti per saggi, per valutare gli effetti dei composti sulla distribuzione della densità cellulare in modelli basati sul sangue.
- Analisi: Offre analisi automatizzata delle immagini per la larghezza di confinamento e l'altezza di levitazione, permettendo confronti statistici tra diverse condizioni sperimentali.
- Ricerca traslazionale: Si integra con flussi di lavoro preclinici consentendo il monitoraggio longitudinale di fenotipi di densità in modelli di malattia, utilizzando protocolli di misurazione identici.
- Riutilizzo aziendale: Funziona come piattaforma riutilizzabile in diverse indicazioni adattando la preparazione del campione e l'analisi software, massimizzando l'investimento in infrastrutture.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Aumenta la fiducia predittiva collegando le variazioni della densità cellulare ai fenotipi della malattia, riducendo l'ambiguità riguardo al meccanismo bersaglio.
- Valore operativo: Migliora la riproducibilità e la scalabilità grazie a un campionamento standardizzato basato su capillari e a un'analisi automatizzata delle immagini.
- Valore strategico: Migliora il processo decisionale di avanzamento o interruzione dello sviluppo consentendo una stratificazione precoce dei modelli di malattia basata sulla densità, riducendo l'abbandono in fasi avanzate.
- Impatto sul portafoglio: Favorisce la priorizzazione dei programmi per malattie ematologiche e infettive in base a un adeguamento del rischio, grazie a uno screening fenotipico accessibile.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede una formazione di base nella manipolazione dei capillari e nella preparazione dei campioni per ottenere risultati costanti.
- Presuppone l'accesso a moduli di levitazione magnetica e a sistemi di imaging compatibili (smartphone o telecamera integrata).
- Necessita della standardizzazione delle concentrazioni di gadobutrol e dei tempi di equilibrazione tra diversi siti utente.
- Deve tenere conto della variabilità della viscosità e della temperatura del campione quando si adatta a diversi fluidi biologici o sistemi modello.
- Limitato alle distinzioni basate sulla densità; non è in grado di risolvere cellule con proprietà galleggianti sovrapposte senza marcatori ortogonali.
Domande frequenti sulla biofarmaceutica
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
