Verlaagde zwaartekracht Milieu Hardware Demonstraties van een Prototype Geminiaturiseerde doorstroomcytometer en Companion Microfluïdische Mixing Technology
13 november 2014
Diagnostiek van bloed tijdens ruimtevluchten heeft innovatie nodig. Er zijn maar weinig demonstraties gepubliceerd die technologie voor gezondheidsdiagnostiek in vlucht, met verminderde zwaartekracht, illustreren. Hier presenteren we een methode voor de constructie en werking van een parabolische vliegtestopstelling voor een prototype point-of-care flow-cytometrie ontwerp, met componenten en voorbereidingsstrategieën die aanpasbaar zijn aan andere opstellingen.
Het algemene doel van deze procedure is om een geminiaturiseerde flowcytometer aan boord van een parabolische vlucht met verminderde zwaartekracht te bedienen met behulp van componenten voorbereiding en procedures tijdens de vlucht die mogelijk aanpasbaar zijn aan andere setups. Dit wordt bereikt door eerst zorgvuldig componenten uit de schappen en op maat gemaakte componenten te selecteren voor gemak van gebruik en veiligheid in verminderde zwaartekracht. De tweede stap is om componenten te assembleren binnen een parabolische vliegtestopstelling die aanvullende elementen bevat voor insluiting, automatisering van de weergave en facilitering van meerdere demonstraties.
Vervolgens bereidt het team zich voor op succesvolle experimenten tijdens de vlucht door middel van zorgvuldige planning, protocolontwikkeling en training. De laatste stap zijn demonstraties met meerdere componenten tijdens de vlucht. Uiteindelijk wordt parabolische vliegtests gebruikt om de potentiële ruimtetoepassingen van technologie te tonen en de effecten van gewichtloosheid, zwaartekrachtveranderingen en trillingen op de prestaties te identificeren.
Hoewel deze methode kan worden toegepast op flowcytometrie en aanverwante technologie, kan deze ook gedeeltelijk worden toegepast op andere soorten individuele diagnostische tests in verminderde zwaartekracht, met name alles wat meerdere demonstraties of triggerprocedures omvat. Daarom besloten we dit video voor JO over parabolische vliegtests te maken omdat er, toen we ons voorbereidden op onze parabolische vluchten met NASA, eigenlijk niet zoveel video's of zelfs literatuur waren die beschreven hoe we ons het beste konden voorbereiden op de experimenten. We moesten eigenlijk heel, heel hard proberen om met de juiste mensen op verschillende locaties binnen NASA te praten om die informatie hier op te graven.
In dit geval willen we deze informatie willen delen voor de lezers van Joe, zodat zij zich ook geschikt kunnen voorbereiden op deze vluchten. Het construeren van een eenvoudig flowcytometriesysteem voor gebruik in omstandigheden met verminderde zwaartekracht vereist meerdere vloeistof-, optische en elektronische prototypecomponenten. Begin met het voorbereiden van een druksysteem met minimale gewichts- en stroombehoeften om het systeem aan te drijven.
De vloeistofverbindingen verbinden een geminiaturiseerde luchtpomp met een differentiële druksensor. Monteer vervolgens een vloeistofbevochtigingscontainer die kan worden geladen zonder lucht te vangen. Een stijve kunststof flesje met een elastisch rubberen membraan, stevig vast te zetten dop en inlaatluchtslang bij de basis van het flesje.
Versluit de verbinding van de inlaatluchtslang met behulp van optische lijm. Plaats een tijdelijke glijbeugel over de dopuitlaatbuis om vloeistofdrijving te voorkomen tijdens en na het inbrengen van de dop. Om het flesje te laden, breidt u het membraan uit met een spuit die is aangesloten op de luchtinlaat.
Plaats vloeistof tot de bovenkant en steek de dop onder een hoek in zodat er geen lucht onder wordt gevangen. Verwijder kort de glijbeugel om de uitlaatbuis te primen en om de samendrukkingsdruk te verminderen die door het membraan wordt uitgeoefend. Zorg ervoor dat de pomp het flesje onder druk zet zonder lucht- of vloeistoflekkage.
Comprimeer het membraan om vloeistofstroom uit de dopuitlaatbuis te drijven. Het derde onderdeel dat nodig is, is een vloeistofafvalbakken om afval te verzamelen zonder een terugdruk op te bouwen die de stroom zal beïnvloeden. Gebruik een flesje dat is vastgelijmd in een flesje dat is ontworpen voor dubbele insluiting.
Dek de flesjes af met een beveiligde schuimsponzen venster dat zwevende vloeistoffen vasthoudt, maar luchtdrukgelijkmaking met de cabineomgeving mogelijk maakt om een steekproeflading voor gebruik en verminderde zwaartekrachtmachine te maken en assembleer een veerbelaste klem met geleiderails zodat deze betrouwbaar als omhulsel is uitgerust capillair tussen twee O-ringen in de vloeistoflijn. Zorg ervoor dat in afwezigheid van een capillair de veren de O-ringen samen drukken om de vloeistoflijn te voltooien en priming zonder lekkage mogelijk te maken. Ontwerp een micromixer die niet afhankelijk is van aangedreven mechanische subcomponenten om te functioneren.
Met behulp van de snelle prototype Polymethyl soane-methode, wordt een micromixer met twee inlaten en spiraalvormige werveling gekozen en gefabriceerd om individuele stromende deeltjes te detecteren. Monteer een op maat gemaakt handpalmgrootte miniatuur optische blok op een microscoop broodplankplaat met behulp van commercieel verkrijgbare optomechanische componenten. De laatste stap in prototypeassemblage is het ontwerpen van elektronica en software voor apparaatbesturing en data-acquisitie.
Voor gemak en vroege prototyping, gebruik handgelast gereedschap verbonden met commercieel verkrijgbare data-acquisitiekaarten, code en programmeer een aangepaste software om apparaatapparaten te bedienen en alle gegevens te synchroniseren. Verwijder de laptopbatterij en stel de laptop in om alleen via de voedingskabel te werken. Om veiligheidsredenen tijdens vluchten met verminderde zwaartekracht, moet het elektrische voedingsschema voor het aandrijven van alle apparaten een mechanisme bevatten voor snelle en volledige elektronische uitschakeling.
Tijdens de vlucht. Een enkele stroomstrip met een enkele aan/uit-knop is verbonden met het stroomverdelingspaneel van het vliegtuig voor een succesvolle prestatie tijdens de vlucht, moet het totale beschikbare ruimte worden overwogen en hoe deze zal worden verdeeld tussen experimentele rigruimte en gebruikersruimte rond de rig. De totale beschikbare ruimte is beperkt tot een kleiner gebied dan dat voor een vergelijkbare demonstratie op de grond is voorzien.
Bepaal welke componenten beter kunnen worden benaderd op vloerniveau of staand. Het is ook belangrijk om te overwegen welke componenten het meest zullen profiteren van de bescherming die binnen een ondersteunende structuur wordt verkregen. De ondersteunende structuur van de rig is hier een verticale apparatuurrek die vliegtuigbeschietingen kan weerstaan en stevig kan worden bevestigd aan het beoogde vliegtuig.
Toewijs componenten op de cabinevloer aan niveaus binnen de rek, Een bovenste laag om de laptop te plaatsen, een middenrek om prototypeonderdelen te bevatten en een
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie presenteert een methode voor het bedienen van een geminiaturiseerde flowcytometer tijdens een parabolische vlucht met gereduceerde zwaartekracht. De aanpak omvat de selectie van componenten, de assemblage in een testopstelling en de voorbereiding op experimenten tijdens de vlucht.
Belangrijkste componenten van de studie
Wetenschappelijk vakgebied
- Gezondheidsdiagnostiek bij ruimtevluchten
- Flowcytometrie-technologie
- Experimenten bij verminderde zwaartekracht
Achtergrond
- Ruimtevaart brengt unieke uitdagingen met zich mee voor de gezondheidsdiagnostiek.
- Bestaande technologieën vereisen aanpassingen voor omgevingen met een lagere zwaartekracht.
- Flowcytometrie kan snelle gezondheidsbeoordelingen bieden.
- Innovatieve methoden zijn nodig om de mogelijkheden tijdens de vlucht aan te tonen.
Doel van de studie
- Om een prototype point-of-care flowcytometer voor ruimteapplicaties te ontwikkelen.
- Om de haalbaarheid van gezondheidsdiagnostiek in microzwaartekracht aan te tonen.
- Om de effecten van gewichtloosheid op de diagnostische prestaties te identificeren.
Gebruikte methoden
- Selectie van standaard- en maatwerkcomponenten voor veiligheid en bruikbaarheid.
- Assemblage van componenten in een testopstelling voor parabolische vluchten.
- Ontwikkeling van protocollen en training voor experimenten tijdens de vlucht.
- Uitvoeren van demonstraties met meerdere componenten tijdens parabolische vluchten.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle werking van de flowcytometer onder omstandigheden van verminderde zwaartekracht.
- Aangetoonde aanpasbaarheid van componenten voor diverse opstellingen.
- Identificatie van prestatievariaties als gevolg van zwaartekrachtveranderingen en vibraties.
- Presentatie van potentiële toepassingen voor gezondheidsdiagnostiek in de ruimte.
Conclusies
- De studie benadrukt de levensvatbaarheid van gezondheidsdiagnostiek tijdens de vlucht.
- Innovatieve technologieën kunnen de gezondheidsmonitoring tijdens ruimtevluchten verbeteren.
- Verder onderzoek is nodig om de prestaties in microzwaartekracht te optimaliseren.
Veelgestelde vragen
Relevantie voor de Industrie
De ontwikkeling van diagnostische systemen voor point-of-care bij ruimtevluchten vereist een rigoureuze validatie in omgevingen met verminderde zwaartekracht om de betrouwbaarheid en prestaties onder niet-terrestrische omstandigheden te waarborgen. Het demonstreren van flowcytometrie- en microfluïdische mengtechnologieën tijdens parabolische vluchten levert cruciale gegevens op voor risicoreductie bij translationele biomarker-applicaties en de validatie van preklinische modellen in extreme omgevingen. Dit werk ondersteunt de voortgang van de pijplijn door de operationele haalbaarheid vast te stellen voor technologieën voor gezondheidsmonitoring die bestemd zijn voor deep-space-missies, waarbij geen toegang is tot terrestrische laboratoria.
Strategische Toepassingen in Biofarmaceutische R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt onderzoek naar cellulaire biomarkers in gesimuleerde ruimtevluchtomstandigheden mogelijk om de doelwitinteractie onder fysiologische stress te beoordelen.
- Operationele waarde: Biedt een gestandaardiseerd platform voor het evalueren van de prestaties van vloeistofdynamische en optische componenten in omgevingen met variabele zwaartekracht.
Screening & assay-ontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Faciliteert de standaardisatie van assays door de stabiliteit van reagentia en de detectie-efficiëntie tijdens gravitatieovergangen te testen.
- Operationele waarde: Ondersteunt de ontwikkeling van SOP's voor monsterlading en vloeistofbehandeling in beperkte, trillingsgevoelige omgevingen.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Stelt ziekte-relevante systeemprestaties vast door de detectie van analyten in bloed te valideren onder maan- en microzwaartekrachtprofielen.
- Operationele waarde: Demonstreert continuïteit van ontdekking tot preklinische validatie door consistente detectie van optische blokken over verschillende zwaartekrachttoestanden aan te tonen.
Integratie van Pipeline & Workflow
De methode wordt geïntegreerd in vroege discovery-workflows door hypothese-testen van cellulaire responsen bij gewijzigde zwaartekracht mogelijk te maken, wat de identificatie van lead-compounds ondersteunt via reproduceerbare kwantitatieve resultaten en preklinische beslissingen informeert door middel van meetbare detectie-efficiëntie en signaalstabiliteit.
- Discovery Biology: Ondersteunt de verduidelijking van signaalpaden door de detectie van fluorescentie-gemarkeerde witte bloedcellen onder variërende zwaartekrachten mogelijk te maken.
- Screening: Garandeert de gereedheid van de assay via onder druk gezette fluïdische systemen die de integriteit van de stroming tijdens vliegmanoeuvres handhaven.
- Analytics: Levert kwantitatieve resultaten, waaronder variatiecoëfficiënten van de piekintensiteit en signaal-ruisverhoudingen voor vergelijking tussen verschillende condities.
- Translational Research: Koppel aan biomarker-alignement door de detectie van toegevoegde fluorescente telkralen in beladen monsters aan te tonen.
- Enterprise Reuse: Bevat modulaire componenten, zoals de microvolumemonsterlader en de microfluïdische menger, die aanpasbaar zijn aan andere diagnostische platforms.
Operationele en bedrijfsmatige impact
- Wetenschappelijke waarde: Voorspellend vertrouwen in de prestaties van het apparaat wordt opgebouwd door directe observatie van optische blokdetectie tijdens zwaartekrachtovergangen.
- Operationele waarde: Standaardisatie wordt bereikt via SOP's, trainingsprotocollen en insluitingssystemen die zijn ontworpen voor gebruik tijdens de vlucht.
- Strategische waarde: Vermindert biologische risico's in een laat stadium door POC-diagnostiek te valideren in omgevingen die stressfactoren van ruimtevluchten nabootsen.
- Impact op de portfolio: Maakt risico-gecorrigeerde beslissingen over verdere ontwikkeling mogelijk door empirische gegevens te leveren over de robuustheid van de technologie in verminderde zwaartekracht.
Overwegingen voor implementatie
- Vereist expertise in microfluidica, optica en menselijke factoren in de lucht- en ruimtevaart voor een veilige bediening.
- Is afhankelijk van trillingsbestendige optische uitlijning middels epoxy-stabilisatie en schokbestendige componenten.
- Necessiteert cross-team standaardisatie van vloeistofverbindingen, klepsequenties en noodstopprocedures.
- Omvat overwegingen voor aanpassingen van monsterladingstechnieken onder gewijzigde zwaartekracht en beperkte positionering van de bemanning.
- Omvat praktische beperkingen zoals beperkte ruimte voor de opstelling, variaties in omgevingstemperatuur en de noodzaak voor coördinatie van parabolische manoeuvres.
Biopharma Veelgestelde Vragen
Chapters in this video
0:05
Title
1:51
Rig Assembly
4:57
Flight-ready Rig Layout
5:58
Prototype Securing, Containment, and Visualization Setup
6:42
In-flight Demonstration Implementation
8:52
Flight Disturbance Readiness and Training Demonstration
10:02
In-flight Demonstrations
12:17
Results: Demonstrations of a Prototype Flow Cytometry System in Reduced Gravity Conditions
13:30
Conclusion
