Skaner detekcji magnetycznej z mieszaniem częstotliwości do obrazowania cząstek magnetycznych w próbkach planarnych
9 czerwca 2016
Skaner do obrazowania cząstek magnetycznych w próbkach płaskich został opracowany przy użyciu techniki detekcji magnetycznej z mieszaniem częstotliwości planarnej. Reakcja produktu intermodulacji magnetycznej na nieliniowe niehisteretyczne namagnesowanie cząstek jest rejestrowana po wzbudzeniu dwuczęstotliwościowym. Może być używany do wykonywania obrazów 2D cienkich próbek biologicznych.
Ogólnym celem tej procedury jest wykorzystanie dwuwymiarowych mieszanych skanów detekcji magnetycznej do analizy cienkich próbek biologicznych zawierających cząstki nanomagnetyczne. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania z zakresu biochemii i diagnostyki medycznej, takie jak analiza skrawków tkanek wykorzystujących cząstki nanomagnetyczne jako związek wyrównujący. Główną zaletą tej techniki jest to, że pozwala ona na spotkanie rozkładu cząstek nanomagnetycznych.
Procedurę zademonstrują Eul-Gyoon Lim, Jae-chan Jeong i Jiho Chang, trzej badacze z mojego laboratorium. Głowica pomiarowa p-FMMD powinna być zaprojektowana zgodnie z protokołami tekstowymi. Szczegółowe informacje znajdują się we wszystkich specyfikacjach okablowania i zwijania.
Montaż i konfiguracja są szczegółowo opisane w protokole tekstowym. Obejmuje to regulację balansu wysokich częstotliwości i napięcia indukowanego. Następnie ustawiana jest elektronika pomiarowa, która obejmuje sekcję wzbudzenia, sekcje sterujące niskimi i wysokimi częstotliwościami oraz sekcję detekcji FMMD.
Następnie ustawiany jest przedwzmacniacz, pierwszy demodulator, wzmacniacz pośredni z filtrowaniem, drugi demodulator i wzmacniacz końcowy z filtrowaniem. Na koniec zamontowany jest skaner 2D i połączony ze sterowaniem komputerowym. Do tej procedury należy użyć cząstek magnetytu o średnicach 50 nanometrów i 100 nanometrów oraz cząstek maghemitu o średnicy 1 mikrona.
Umyj roztwory podstawowe cząstek w wodzie i zbierz cząstki za pomocą magnesu. Wylej wodę i umyj je jeszcze dwa razy. Następnie rozcieńczyć cząstki do roztworów 25 miligramów na mililitr za pomocą wody destylowanej.
Z roztworu cząstek o wielkości 100 nanometrów wykonaj pięciokrotną serię rozcieńczeń dla stężeń pięciu, jednego, 0,2 i 0,04 miligrama na mililitr. Następnie wybij kawałki absorpcyjnej bibuły za pomocą stempla do biopsji. Następnie zanurz dziurkacze w różnych roztworach cząstek o wielkości 100 nanometrów na 30 sekund.
Po namoczeniu pozostaw dziurkacze do wyschnięcia na powietrzu. Następnie przygotuj wycięte kawałki nitrocelulozy o wymiarach dwa na 18 milimetrów. Namocz jeden kawałek nitrocelulozy w nierozcieńczonym roztworze cząstek o średnicy jednego mikrona na 10 do 15 sekund i wysusz suszarką przy użyciu nieogrzanego powietrza.
Namocz drugi kawałek nitrocelulozy w dwóch roztworach o różnych stężeniach, aby uzyskać gradient stężeń i wysusz go jak drugi. Na koniec, wykorzystując działanie kapilarne, załaduj rurkę kapilarną 30 mikrolitrami nierozcieńczonego roztworu cząstek o średnicy 50 nanometrów. Następnie załaduj drugą kapilarnę 10 mikrolitrami 20-krotnego rozcieńczenia tych samych cząstek.
Kierunek skanowania powinien być krótszy z dwóch wymiarów płaskich. Ustaw punkt początkowy i długość skanowania za pomocą znaczników linijki na palecie. Wprowadź te wartości w oprogramowaniu do skanowania, a następnie ustaw przesunięcie skanowania tak, aby było nieco mniejsze niż osiągalna rozdzielczość przestrzenna.
Następnie ustaw prędkość skanowania, biorąc pod uwagę redukcję sygnału, która następuje z powodu filtrowania dolnoprzepustowego. Użyj wartości z zakresu od jednego do siedmiu milimetrów na sekundę. Teraz ustaw odległość kroku.
Całkowity czas skanowania jest obliczany przy użyciu formuły podanej w protokole tekstowym. Przed skanowaniem należy zabezpieczyć próbkę taśmą klejącą. Na potrzeby skanowania wygeneruj plik NVD dla programu do sterowania ruchem.
Otwórz program do sterowania ruchem PMC i załaduj plik NVD. Naciśnij przycisk Home, aby ustawić mechaniczne punkty początkowe. Zamknij program sterowania ruchem i wróć do programu skanera.
Następnie wykonaj skanowanie. W przypadku tych skanów intensywność sygnału analizowano jako funkcję stężenia kulek magnetycznych, a prędkość skanowania wynosiła 10 milimetrów na minutę. Stwierdzono silną korelację między stężeniem kulek a sygnałem.
Zależność między prędkością stopnia skanującego a natężeniem sygnału sprawdzono za pomocą papierowych granulek nasączonych kulkami magnetycznymi. Wyższe sygnały uzyskano przy niższych prędkościach skanowania. Porównanie skanu p-FMMD z obrazem optycznym próbki membrany nitrocelulozowej wyraźnie wykazało użyteczność p-FMMD jako skanera MPI.
Szerokość skanu wynika głównie z profilu czułości głowicy pomiarowej. Podobnie, dwie kapilary wypełnione cząstkami magnetycznymi o różnych stężeniach magnetycznych zostały sfotografowane i zeskanowane za pomocą p-FMMD. Oczywiste jest, że stężenia różniące się 20-krotnie są łatwe do odróżnienia.
Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak analizować 10 próbek zawierających cząstki nanomagnetyczne za pomocą techniki FMMD. Po opanowaniu tej techniki można ją wykonać w około godzinę, jeśli zostanie wykonana prawidłowo. Po opracowaniu technika ta utorowała drogę naukowcom w dziedzinie biochemii i diagnostyki medycznej do zbadania rozkładu cząstek nanomagnetycznych, które raczej wskazują na specyficzne przeciwciała w układzie narządów.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
W niniejszym artykule przedstawiono metodę obrazowania cienkich próbek biologicznych przy użyciu nowatorskiego skanera wykorzystującego płaskie mieszanie częstotliwości w detekcji magnetycznej. Technika ta rejestruje magnetyczną odpowiedź intermodulacyjną nanocząstek magnetycznych, co umożliwia tworzenie obrazów 2D.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Biochemia
- Diagnostyka medyczna
- Techniki obrazowania magnetycznego
Wstęp
- Nanocząstki magnetyczne mogą być stosowane jako związki wyrównujące w analizie tkanek.
- Zrozumienie rozkładu cząstek jest kluczowe dla wielu zastosowań.
- Niniejsza metoda zapewnia nieinwazyjną technikę obrazowania.
- Poprzednie metody mogły nie oddawać skutecznie rozkładu tych cząstek.
Cel badania
- Analiza cienkich próbek biologicznych zawierających nanocząstki magnetyczne.
- Doskonalenie technik obrazowania w biochemii i diagnostyce medycznej.
- Wykazanie skuteczności metody planarnego mieszania częstotliwości w detekcji magnetycznej.
Zastosowane metody
- Dwuwymiarowe skany mieszanego wykrywania magnetycznego.
- Zastosowanie głowicy pomiarowej p-FMMD zaprojektowanej zgodnie z określonymi protokołami.
- Szczegółowe specyfikacje okablowania i nawijania cewek w celu uzyskania dokładnych pomiarów.
- Demonstracja przeprowadzona przez badaczy: Eul-Gyoon Lim, Jae-chan Jeong i Jiho Chang.
Główne wyniki
- Metoda ta pozwala na skuteczne pozyskiwanie obrazów 2D cienkich próbek biologicznych.
- Wykazano jej efektywność w analizie rozkładu nanocząstek magnetycznych.
- Stanowi nowe podejście do analizy przekrojów tkankowych.
- Potencjalne zastosowania w różnych dziedzinach biochemii i diagnostyki.
Wnioski
- Planarna technika detekcji magnetycznej z mieszaniem częstotliwości jest skuteczna w obrazowaniu.
- Metoda ta pozwala na lepsze zrozumienie zachowania nanocząsteczek magnetycznych.
- Otwiera ona nowe możliwości prowadzenia badań w zakresie diagnostyki medycznej.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla Przemysłu
Ten skaner płaskiego mieszania częstotliwości do detekcji magnetycznej (p-FMMD) umożliwia nieinwazyjne obrazowanie 2D rozkładu nanocząsteczek magnetycznych w cienkich próbkach biologicznych, wspierając walidację celu i opracowywanie testów na wczesnym etapie odkrywania. Poprzez rejestrowanie sygnałów intermodulacyjnych z cząsteczek superparamagnetycznych bez konieczności namagnesowania całej próbki, dostarcza ilościowych danych przestrzennych, które zwiększają pewność prognostyczną w badaniach mechanistycznych i skracają czas ograniczania ryzyka biologicznego. Metoda ta jest szczególnie istotna przy analizie skrawków tkanek i próbek diagnostycznych, w których precyzyjna lokalizacja znaczników magnetycznych determinuje decyzje o kontynuacji lub przerwaniu badań (go/no-go) w procesach identyfikacji związków wiodących.
Zastosowania strategiczne w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesna faza odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia weryfikację hipotez terapeutycznych poprzez mapowanie rozkładu nanocząstek magnetycznych jako wskaźnika zaangażowania celu lub obecności biomarkera w przekrojach tkankowych.
- Wartość operacyjna: Zapewnia oparte na znakowaniu odczyty przestrzenne, które wyjaśniają wzorce aktywacji szlaków i wspierają funkcjonalną walidację celów w systemach istotnych dla przebiegu choroby.
- Wartość prognostyczna: Generuje ilościowe wyniki obrazowania, które zwiększają pewność w badaniach modulacji celu i pomagają w selekcji projektów w portfelu na podstawie wskaźników pewności celu.
Przesiewanie i opracowanie testu
- Gotowość do analizy: Pozwala na generowanie zestandaryzowanych i powtarzalnych map sygnałów 2D z próbek obciążonych cząsteczkami, co umożliwia wiarygodny screening związków przeciwko nanomagnetycznym systemom reporterowym.
- Wynik ilościowy: Pomiar amplitud produktów intermodulacji, które korelują z stężeniem cząsteczek, co wspiera analizę zależności dawka-odpowiedź oraz potwierdzanie wyników dodatnich w kampaniach screeningowych.
- Skalowalność platformy: Umożliwia analizę próbek o rozmiarach ograniczonych jedynie zakresem skanowania i geometrią podłoża, co pozwala na ponowne wykorzystanie metody w wielu formatach analiz i systemach modelowych.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Ciągłość translacyjna: Łączy etap odkrywania z procesami przedklinicznymi, zapewniając spójne dane dotyczące rozkładu cząsteczek – od przekrojów tkankowych po eksplanty całych organów.
- Dostrojenie biomarkerów: Wspiera walidację biomarkerów translacyjnych w przypadku sprzężenia nanocząsteczek magnetycznych z ligandami specyficznymi dla celu, co umożliwia korelację między sygnałem obrazowania a ekspresją celu.
- Optymalizacja postępów z uwzględnieniem ryzyka: Redukuje niejednoznaczność mechanistyczną w optymalizacji wiodących związków poprzez dostarczenie przestrzennej walidacji zaangażowania celu w modelach chorobowych ex vivo.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda p-FMMD wpisuje się w kontinuum procesu odkrywania leków – od wczesnej walidacji celu, przez identyfikację związku wiodącego, aż po ocenę przedkliniczną – oferując wielokrotnie wykorzystywalną możliwość obrazowania w celu śledzenia rozkładu nanocząsteczek magnetycznych na poszczególnych etapach procesu.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez i wyjaśnianie szlaków poprzez wizualizację miejsc gromadzenia się znaczników magnetycznych w próbkach biologicznych, co zmniejsza niepewność w badaniach nad mechanizmami docelowymi.
- Przesiewanie: Umożliwia standaryzację testów dzięki mierzalnym sygnałom wyjściowym, które pozwalają na porównanie wpływu związków na rozkład cząstek lub wiązanie z celem.
- Analityka: Dostarcza pomiarów intensywności przestrzennej i odczytów zależnych od stężenia, co pomaga zespołom w porównywaniu warunków i ocenie skuteczności modulacji celu.
- Badania translacyjne: Łączy się z walidacją przedkliniczną, zapewniając ciągłość obrazowania podczas oceny sond opartych na nanocząsteczkach w tkankach eksplantowanych lub przekrojach narządów.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Funkcjonuje jako technologia platformowa możliwa do zastosowania w wielu projektach, co zmniejsza potrzebę ponownej walidacji przy wdrażaniu nowych celów lub modeli chorobowych.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność predykcyjną w walidacji celu poprzez redukcję niejednoznaczności mechanistycznej dzięki bezpośredniej wizualizacji przestrzennej rozkładu nanocząstek.
- Wartość operacyjna: Zapewnia powtarzalność i standaryzację poprzez stałe częstotliwości wzbudzenia oraz protokoły demodulacji, które generują spójne sygnały intermodulacyjne w kolejnych seriach pomiarowych.
- Wartość strategiczna: Poprawia efektywność kapitałową, umożliwiając wczesne podejmowanie decyzji go/no-go na podstawie obrazowania zaangażowania celu, co redukuje inwestycje w fałszywie dodatnie wyniki.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację skorygowaną o ryzyko, dostarczając danych przestrzennych, które informują decyzje o dalszym rozwoju w procesach identyfikacji związków wiodących.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w obchodzeniu się z cząstkami magnetycznymi, demodulacji sygnałów oraz konfiguracji aparatury do skanowania 2D, zgodnie ze specyfikacjami okablowania i nawijania cewek.
- Zależy od dostępu do źródeł wzbudzenia o konkretnych częstotliwościach (77 kHz i 61 Hz) oraz czułej elektroniki detekcyjnej zdolnej do izolacji produktów intermodulacji sumy częstotliwości.
- Wymaga standaryzacji protokołów przygotowania próbek, w tym rozcieńczania cząstek, ich immobilizacji na podłożach (np. nitrocelulozie, papierze do blottingu) oraz procedur suszenia w celu zapewnienia spójności sygnału.
- Wiąże się z koniecznością uwzględnienia adaptacji do różnych grubości próbek, ponieważ rozdzielczość przestrzenna jest ograniczona przez wysokość próbki (w obecnej konfiguracji do 2 mm).
- Obejmuje ograniczenia praktyczne, takie jak kompromis między prędkością skanowania a intensywnością sygnału oraz wpływ profilu czułości głowicy pomiarowej na rozmycie obrazu.
