Method Article

プロトタイプ小型化フローサイトメーターおよびコンパニオンマイクロ流体混合技術の縮小重力環境ハードウェアデモンストレーション

DOI:

10.3791/51743

⸱

November 13th, 2014

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1DNA Medicine Institute, 2Harvard Medical School, 3NASA Glenn Research Center, 4ZIN Technologies

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

宇宙飛行血液診断は、技術革新を必要としています。いくつかのデモは、機内縮小重力の健康診断技術を説明する公開されている。ここでは、コンポーネントと他のセットアップに適応準備戦略とプロトタイプのポイント·オブ·ケアフローサイトメトリー設計のための放物線飛行試験リグの建設と運​​営のための方法を提示する。

Abstract

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最近まで、宇宙飛行士の血液サンプルは、飛行中収集したスペースシャトルに地球に運ばれ、地上の実験室で分析した。人間は、低地球軌道を越えて移動する場合は、スペースで準備ができて、ポイント·オブ·ケア（POC）テストへの移行が必要である。このようなテストは、総合的な縮小重力環境で実行することが容易で、打ち上げや宇宙飛行のストレスによって影響を受けないことが必要である。無数のPOCデバイスは、実験室規模の対応を模倣するために開発されてきたが、ほとんどは狭い用途を有し、いくつかは、飛行中の、低減された重力環境で実証用途を有する。実際には、減少重力における生物医学診断のデモンストレーションは、コンポーネントの選択や新技術をテストしようとしているときにアプローチするのが難しい特定の物流の課題を作り、完全に制限されています。空虚さを埋める手助けするために、我々はプロトタイプの血液診断装置とそれに関連するPの構成及び動作のためのモジュラー方法を提示している放物線飛行、減重力航空機に搭載飛行テストのための基準を満たしていarabolic飛行試験リグ。方法は、最初に、飛行中の、低減された重力フローサイトメーターのテストとコンパニオンマイクロ流体混合チップ用リグアセンブリに焦点を当てています。コンポーネントは、他のデザインに適応され、そのような微量サンプルローダーとマイクロミキサーのようないくつかのカスタムコンポーネントは、特に重要であり得る。次いで、この方法は、ユーザートレーニング、標準業務手順書（SOP）の開発、およびその他の問題に関連して成功した飛行試験の準備のためのガイドラインや提案を提供することにより、飛行準備にフォーカスをシフトします。最後に、私たちのデモに特有のインフライト実験手順が記載されている。

Introduction

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現在のスペースに対応した健康診断の不足はより深い有人宇宙探査への制限要因を提示します。診断は、総合的な減少重力で使いやすく、そして打ち上げや宇宙飛行（ 例えば 、高g力、振動、放射線、温度変化、およびキャビン圧力変化）の応力の影響を比較的受けておく必要があります。ポイントオブケア試験（POCT）の開発は、より小さな患者検体（ 例えば 、指穿刺）を使用することにより効果的な宇宙飛行溶液に変換する単純で小さな流体工学（ すなわち 、マイクロフルイディクス）、および他の間で、電力要件を低減してもよい利点。 フローサイトメトリー細胞計数およびバイオマーカー定量化だけでなく、大幅な小型化の可能性に向かって含むため、技術の広範な有用性のインスペースPOCの1魅力的なアプローチです。前スペース関連のフローサイトメーターは「核の梱包efficを含むiency無重力「5時のデータフローサイトメトリーのリアルタイムフローの最初の世代の「同時アーク灯誘起蛍光と電子ボリューム（コールターボリューム）測定1-4、代表サイトメーター比較的小さなベンチトップ·フローを利用して（NPE）楽器'、 「サイトメーターsheathlessマイクロ'は4位および5部分の白血球（WBC）差分カウントすることができるが、5μlの全血サンプル6-9を前処理し、そして使用して「光ファイバベースの「最近の国際に....

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Protocol

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このプロトコルで使用されるヒト血液サンプルを、低侵襲プロトコルを使用して、IRBの承認を得て収集した（謝辞を参照）。

1.リグ組み立て

  1. 減少した重力条件で使用される単純なフローサイトメトリーシステムのためのプロトタイプ·コンポーネント（流体工学、光学、制御/データ収集エレクトロニクス）を組み立てる
    1. システム流体工学を駆動するために、最小限の重量とパワーニーズに圧力システムを準備します
      1. 差圧センサに小型化された空気ポンプを接続します。
      2. 、一定の駆動圧力を維持するパルス幅変調し、カスタムコントロールソフトウェアの比例積分微分コントローラ（ステップ1.1.7）を用いて調節デューティサイクルを使用して、ポンプ出力を制御する。
    2. 空気をトラップせずにロードすることができ、流体源容器を組み立てる（ステップ3.4参照）
      1. ラテックスdiaphraと硬質プラスチックバイアル（ 図1A）を取り付けGM、バイアル基部にしっかりと固定可能なキャップと、入口空気管は、（光学接着剤を使用して接続を密封し）。
      2. ポンプがキ​​ャップ出口配管からの流体の流れを駆動するために、振動板を圧縮空気または流体の漏れなしでバイアルを加圧することを確認してください。
    3. 流れが損なわれます背圧を構築せずに廃棄物を収集す....

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Results

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実体顕微鏡に取り付けられたCCDカメラで見たマイクロミキサのデモンストレーションのための代表的な結果を図7に表示される。血液/食塩水および青/黄色染料：混合目視ならびに流体の二組を含む実験用の出口チャネルにおいて、螺旋に沿った任意の点で評価することができる。他の刊行物38-40に示すように、2次元画像の定量分析は、異なる領域に、チャネル幅にわたってシェードの均一性を決定することを含むことができる。詳細については、 補足図1を参照してください。マイクロ流体チップによるバブル処理のデモンストレーションのための補足図2を参照してください。

光学ブロックとサンプルローダデモにおける粒子検出のための結果を、それぞれ、 図7CおよびDに表示されます。蛍光標識された白血球の光学ブロック検出（Fiのグレ7C） ほぼ無重力約1.5グラムからの.......

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Discussion

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ここで説明する方法は、地上試験に匹敵する結果が得られ、2010 FAST放物線飛行中に主要な技術要素（サンプルローディング、マイクロ流体混合、および光学的検出）の有効デモンストレーションを可能にした。ここで説明するトレーニングとSOPの方法が特に有効であった、とツールを照らすために貢献し、他の「松葉杖」はパラボリックフライトオンボード利用できないでしょう練習のデモンストレーションのために依拠している。

改善のための領域が封じ込めとレイアウトが含まれています。カスタムアクリルコンポーネントは、封じ込めの目的のために十分に強固でないかもしれない。 「グローブ」ボックスが重力遷移時に飛行中の乗客に打たれ、その後ラフ飛行機着陸時にばらばらになったし。マイクロ流体チップに接続されたチューブは簡単にキャビン環境に食用色素をリークし、青 - 黄染料混合デモ中に外されるようになった。これは、中に固定される必要マイクロボアチューブを再接続すると、器用さと、ユーザの安定性を必要とするため、特に困難だった高G区間、。レイアウトの点では、起立高さでノートパソコンの配置が難しく、高gの間隔中に動作させる。高.......

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Disclosures

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ユージンY.チャン、キャンディスペ、とジュリアZのシャープは、DNA医学研究所、商業実体を通じて提出し、関連技術の特許について発明者である。

Acknowledgements

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ハードウェア開発は、NASA SBIR契約のNNX09CA44CとNNX1​​0CA97Cによってサポートされていました。光学ブロックとサンプルローダーデモンストレーションのためのデータ分析は、米航空宇宙局（NASA）の第III相契約NNC11CA04Cによってサポートされていました。ヒトの血液採取は、NASA IRBプロトコール＃SA-10から008を用いて行った。ナショナルインスツルメンツの医療機器助成プログラムを通じて提供される制御/集録ソフトウェア。マイクロチップのための金型はジョンズ·ホプキンス大学の微細加工施設、ナノスケールシステムのためのハーバードセンターで行われた。夏は2010年、NASAの飛行映像スタッフの間にラックアセンブリに助けオットーJ. Brinerとルークジャッフェ（DNA医学研究所）は、飛行週の間にビデオ映像を提供した。カルロス·バリエントス（DNA医学研究所）が写真とフィギュアの援助を提供しました。テクノロジー2010プログラムの宇宙環境へのファシリテアクセスに感謝し、米航空宇宙局（NASA）の削減重力オフィス、人間の適応とその対策課、NASAグレンリサーチセンター、ZIN·テクノロジーズと人間の研究プログラム。

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
マイクロエアポンプSmart Products, Inc.AP-2P02A最大圧力 = 6.76 psi; 1.301" x 0.394" x 0.650", 0.28 oz (8 g); Smart Products
Differential pressure sensorHoneywell International, Inc.ASDX015D44R範囲  of  0-15 psi; 0.974" x 0.550" x 0.440", 0.09 oz (2.565 g); サプライヤには、Digi-KeyおよびMouser Electronics
の硬質プラスチックバイアル(小型)Loritz &アソシエイツ株式会社55-05ポリスチレン;ID 0.81インチ(20.6 mm)、IH 2.06インチ(52.4 mm)。LA Container Inc.から直接入手できます。Dynalab Corp.から入手可能な同様の製品
ラテックス検査用手袋ダイナレックスコーポレーション2337液源バイアルのラテックスダイアフラムに使用される中指。 その他のブランド(例:、Aurelia® 活気に満ちた™)普通。
光学接着剤Norland ProductsNOA 88Low outgassing adhesive; Norlandから直接入手可能。Edmund Optics Inc.からも販売
3方向ソレノイドバルブLEE CompanyLHDA0531115Hガスバルブですが、液体でも機能します。1.29" L, 0.28" D. 生産終了製品です。 同様の製品は、The LEE Companyから入手可能です。
容積式水流量計オメガエンジニアリング株式会社 FLR-1602A非接触式流量計を強く推奨します。SENSIRION LG16 OEM液体フローセンサーは、nl/minから5ml/minまでの流量にお勧めします。
PCD-mini光子検出器 SenslPCDMini-00100蛍光検出用、Sensl
AccelerometerCrossbow Technology, Inc.CXL02LF33次元の力検出。 NASAからDMIに供給されました。 同様の製品は、Vernier Software&から入手可能です。Technology, LLC. 
実体顕微鏡AmScopeSE305R-AZ-E
CCD カメラThorlabsDCU223C1,024 x 768 解像度、カラー、USB 2.0; Thorlabs
USBから直接入手可能 CCDカメラ用トリガーケーブル(入力/出力)Thorlabs CAB-DCU-T1Thorlabs
MicroboreチューブサンゴバンコーポレーションAAD04103タイゴン®;ID 0.02インチ、OD 0.06インチ、500フィート、0.02インチの壁。サプライヤー:VWR、Thermo Fisher Scientific Inc.
中空鋼ピンニューイングランドスモールチューブ(カスタム)0.025 "OD、0.017" ID、0.500 "L、ステンレス鋼管、タイプ304、切断、バリ取り、不動態化;マイクロボアチューブ接続、チップチューブ接続を可能にする
スライドクランプWorld Precision Instruments, Inc.14042World Precision Instruments
Leur アダプターピースWorld Precision Instruments, Inc.14011World Precision Instruments
Silicon waferAddison Engineering, Inc.直径6インチ、SU-8金型製作用
ポリジメチルシロキサン(PDMS)エラストマー硬化剤ダウ・コーニング3097358-1004サプライヤー:グローバル・インダストリアルSLP、LLC
ニードル(23ゲージ)、ベベルチップテルモ・メディカル・コーポレーションNN-2338R超薄肉、23 G x 1.5インチ、22 Gも使用可能、サプライヤー:Careforde, Inc.、 Port City Medical
Dispensing針(23ゲージ)、鈍い先端CML供給901-23-10023 G x 1 "; CMLサプライ
カバーガラスThermo Fisher Scientific, Inc.12-518-105EGold Seal™ 非腐食性ホウケイ酸ガラス; PDMSチップカバー用; 24 x 60 mm; Thermo Fisher Scientific, Inc.から入手可能
真空ポンプMountainMTN8407PDMSの脱気用; サプライヤー: ライダーシステム株式会社 
真空チャンバーサーモフィッシャーサイエンティフィック(株)5311-0250Nalgene™透明ポリカーボネート;Thermo Fisher Scientific, Inc.から入手可能
プラズマクリーナーハリックプラズマPDC-32G
手拡大鏡ミツトヨ183-131逆方向に使用して、~15インチでの表示を可能にします。
エタノールカロライナ861283チップ洗浄用。ミリポア水を使用して70%に希釈します。
浄水システムサーモフィッシャーサイエンティフィック社D11901Thermo Fisher Scientific, Inc. から直接入手可能
Optomechanical translation mountsThorlabsK6X6-Axis Kinematic Optic Mounts; discontinued product; 新製品 (K6XS) は、Thorlabs
LaptopHewlett-PackardVP209AVHP Pavilion Laptop running Windows 7
Laptop tray (spring loaded)から直接RAM-234-3 RAMタフトレイ™。10インチから16インチ幅のノートパソコンを収納できます。
USBスプリッタConnectland Technology Limited3401167
USBデータ集録カード(アナログ入力8枚、デジタルI/O12枚)National InstrumentsNI USB-600812ビット、10 kS/秒低コストマルチファンクションDAQ
USBデータ集録カード(アナログ入力16枚、デジタルI/O32枚)National InstrumentsNI USB-621616ビット、400 kS/秒絶縁MシリーズMIO DAQ、バスパワー
制御/集録ソフトウェアNational InstrumentsLabVIEW 2009カスタムコード National Instruments (NI) LabVIEW 
3DソリッドモデリングソフトウェアDassault Systèmes SolidWorks株式会社SolidWorks 2011
2DモデリングソフトウェアAUTODESKAutoCAD LT 2008
垂直機器ラック(NASA提供)N / A
固体アルミニウム光学ブレッドボードThorlabsMB2424"x 24" x 1/2"、1/4" - 20タップ;Thorlabs
グレードの鋼と硬化剤から直接利用可能JB溶接会社JB溶接鋼強化エポキシ接着剤
マイクロヘマトクリット毛細管 フィッシャーサイエンティフィック22-362-574内径1.1〜1.2 mm
1 mlシリンジHenke-Sass, Wolf4010.200V0NORM-JECT®; サプライヤー: Grainger, Inc.
ヒト赤血球革新的な研究IPLA-WB3HBsAg、HCV、HIV-1、HIV-2、HIV-1AgまたはHIV 1-NAT、ALT、およびFDA承認の方法による梅毒について、サプライヤーによって検査され、陰性であることが判明しました。 感染性病原体の不在を100%確実に保証できる試験方法はないため、ヒト由来の製品は、感染性の可能性のあるヒト血清または血液検体について、微生物学および生物医学研究所のバイオセーフティに関する米国保健社会福祉省マニュアルで提案されているように取り扱う必要がありますリン
酸塩緩衝生理食塩水濃縮物P5493SIGMA10x;1x
TweenP9416SIGMAに希釈トゥイーン®20
遠心分離機LW ScientificSTRAIGHT8-5Kスイングアウト 8 プレース遠心分離機 正規販売店を通じて販売しています。 その他の遠心分離機は、LW Scientificから直接入手できます。
HDビデオレコーダーソニーMHS-CM5
オレンジ色蛍光核酸染色剤InvitrogenS-11364SYTO® 83 オレンジ色蛍光核酸染色剤. DMSO溶媒で保存します。常に推奨される個人用保護具を着用してください。特別な取り扱い
アドバイスは必要ありません。
蛍光計数ビーズInvitrogenMP 36950CountBright™アブソリュートカウンティングビーズ。 常に推奨される個人用保護具を着用してください。特別な取り扱いアドバイスは必要ありません。
から直接入手可能 から直接入手可能から直接入手可能 から直接入手可能から直接入手可能から入手可能入手可能です。工業

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Thomas, R. A., Krishan, A., Robinson, D. M., Sams, C., Costa, F. NASA/American Cancer Society High-Resolution Flow Cytometry Project-I. Cytometry. 43, 2-11 (2001).
  2. Wen, J., Krishan, A., Thomas, R. A.

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