Name: Lewitacja magnetyczna w połączeniu z przenośnym obrazowaniem i analizą w diagnostyce chorób (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-02-19T15:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 42 s
Description: Poznaj technikę lewitacji magnetycznej do analizy komórek opartej na gęstości w diagnostyce chorób. Ta metoda umożliwia diagnozowanie anemii sierpowatej i separację krwinek z minimalnym sprzętem.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Autorzy chcieliby podziękować dr Matthew Heeneyowi z Boston Children's Hospital/Dana-Farber Cancer Institute oraz dr Farzanie Pashankar z Yale-New Haven Hospital za dostarczenie próbek pacjentów z niedokrwistością sierpowatokrwinkową. Autorzy chcieliby podziękować Chu H. Yu i Ashwini Joshi za ich pomoc w testowaniu tych próbek i kompilowaniu danych.
S.T. dziękuje American Heart Association Scientist Development Grant (15SDG25080056) oraz nagrodzie University of Connecticut Research Excellence Program za finansowe wsparcie tych badań. S.K. przyznaje, że ten materiał jest oparty na pracy wspieranej przez National Science Foundation Graduate Research Fellowship (DGE-1247393).

Oświadczenie etyczne: Wszystkie procedury związane z próbkami krwi ludzkiej przeprowadzono zgodnie z przepisami instytucji. Wszystkie protokoły zostały przejrzane i zatwierdzone przez Komitet ds. Etyki. Wszyscy uczestnicy wyrazili świadomą zgodę.
1. Przygotowanie próbek do diagnostyki choroby sierpowatej5,8
<ol>
	<li>Przygotuj 50 mM roztwór gadobutrolu w roztworze soli fizjologicznej Hanka (HBSS).</li>
	<li>Rościsz 10 mM metabisulfitu sodowego w roztworze gadolinu. 
	UWAGA: Metabisulfit sodu jest toksyczny w przypadku wdychania i silnie podrażnia skórę oraz tkanki. Stanowi korozyjną kwasowość po zmieszaniu z wodą. Może ulec rozkładowi z emisją toksycznych tlenków siarki i sodu podczas ogrzewania do wysokiej temperatury.</li>
	<li>Uzyskaj próbkę krwi poprzez nakłucie palca lub nakłucie żyły.
	<ol>
		<li>Wyprowadź krew za pomocą urządzenia do nakłuwania z czystym, jednorazowym lancetem. Naciśnij w pobliżu miejsca nakłucia i przetrzyj kroplę krwi trzy do czterech razy przed zebraniem krwi pipetą; należy zachować ostrożność, aby nie „masować” palca poprzez uciskanie tkanki, ponieważ może to prowadzić do zanieczyszczenia próbki płynem tkankowym.</li>
		<li>Alternatywnie, pobierz krew zgodnie ze standardowymi procedurami nakłucia żyły14. 
		UWAGA: Jeśli próbki będą przechowywane dłużej niż kilka godzin, należy zbierać krew do probówek próżniowych z antykoagulatem, takim jak EDTA.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Dodaj mniej niż 1 µL krwi do 100 µL roztworu gadolinu i metabisulfitu sodowego.</li>
</ol>
2. Przygotowanie próbek do cytometyrii WBC7
<ol>
	<li>Uzyskaj próbkę krwi za pomocą nakłucia palca lub punkcji żyłowej, jak w sekcji 1.</li>
	<li>Opcjonalnie: Lizuj erytrocyty buforem do lizy erytrocytów. Odmierz pipetą 5 µL krwi do 500 µL buforu do lizy erytrocytów i inkubuj w temperaturze pokojowej przez 3–5 min. 
	UWAGA: krok ten można wykonać w celu potwierdzenia zakresu unoszenia się izolowanej populacji leukocytów. Nie jest jednak konieczne jego przeprowadzanie, ponieważ wyniki przedstawione w tym artykule wykazują, że erytrocyty unoszą się wyraźnie niżej niż leukocyty.</li>
	<li>Rozcieńcz całkowitą krew w stosunku 1:1000 w 25 mM Gd w HBSS 
	UWAGA: jeśli przeprowadzono lizę komórek, rozcieńcz próbkę po lizie w stosunku 9:1 (próbka po lizie : 250 mM Gd), aby uzyskać próbkę zawierającą 25 mM Gd.</li>
</ol>
3. Analiza próbek przy użyciu platformy do magnetycznej lewitacji4,5,6,7,8
<ol>
	<li>Włącz urządzenie do magnetycznego unoszenia:
	<ol>
		<li>W przypadku urządzenia samodzielnego podłącz je do zasilania, poczekaj na uruchomienie i umieść na płaskiej, poziomej powierzchni.</li>
		<li>W przypadku wersji kompatybilnej ze smartfonem uruchom aplikację na smartfonie i przesuń ekran w lewo, aby przejść do trybu nagrywania obrazu, następnie umieść urządzenie na płaskiej, poziomej powierzchni.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Dla statycznego magnetycznego unoszenia:
	<ol>
		<li>Wprowadź przygotowany próbkę do kwadratowego szklanego kapilarki, zanurzając jej koniec w roztworze i pozwalając, by próbka wypełniła kapilarę dzięki działaniu sił kapilarnych.</li>
		<li>Zamknij koniec kapilarki za pomocą uszczelnienia, delikatnie wciskając jeden jej koniec w materiał uszczelniający.</li>
		<li>Wprowadź kapilarę pomiędzy magnesy urządzenia do magnetycznego unoszenia tak, aby tylko 1 cm kapilarki pozostał widoczny (zobacz Ryc. 3 w celu ilustracji przygotowania próbki). 
		UWAGA: Ten krok jest taki sam zarówno dla wersji kompatybilnej ze smartfonem, jak i dla urządzenia samodzielnego.</li>
		<li>Poczekaj 10 minut, nie przesuwając ani nie zakłócając działania urządzenia ani kapilarki.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Dla magnetycznego unoszenia wspomaganego przepływem:
	<ol>
		<li>Wprowadź próbkę do rurki próbki.</li>
		<li>Połącz wężyk dopływowy między pojemnikiem z próbką a mikrokapiłarką oraz wężyk odpływowy między mikrokapiłarką a pojemnikiem na odpady.</li>
		<li>Ustaw natężenie światła LED oraz parametry przepływu.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Upewnij się, że komórki są widoczne w polu widzenia, a następnie naciśnij przycisk do zapisu obrazu (przycisk 3 na urządzeniu samodzielnym lub przycisk aparatu u dołu ekranu w aplikacji na smartfon). 
	UWAGA: Jeśli do zapisywania obrazów używany jest pendrive, utwórz folder o nazwie „images” i podłącz pendrive przed włączeniem urządzenia. Jeśli nie ma dysku, urządzenie zapisze obrazy we własnej pamięci wewnętrznej, skąd mogą być później przesłane. 
	UWAGA: Można wykonać i przeanalizować kilka obrazów, aby zmniejszyć ryzyko wystąpienia anomalii — między kolejnymi zapisami przesuń kapilarę o około ½ cm do środka lub na zewnątrz. 
	UWAGA: Jeśli liczba komórek w polu widzenia jest zbyt duża lub zbyt mała (co jest wykrywane i sygnalizowane na interfejsie użytkownika), przesuń kapilarę do środnia lub na zewnątrz urządzenia albo przygotuj nową próbkę.</li>
	<li>Usuń próbkę i zutylizuj ją zgodnie z przepisami instytucyjnymi lub lokalnymi. Kapilary należy wyrzucać jako przedmioty ostry.</li>
</ol>
<img alt="Schemat procedury pobierania krwi z nakłucia palca, probówki, pipety i urządzenia diagnostycznego." src="/files/ftp_upload/55012/55012fig3.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Figure 3"> 
Rycina 3: Przygotowanie próbki i interfejs użytkownika. (a) Procedura przygotowania próbki obejmuje nakłucie palca badanego, utworzenie kropli krwi, przeniesienie kropli krwi do roztworu testowego, wymieszanie próbki oraz załadowanie jej do kapilary poprzez działanie siły kapilarnej i włożenie próbki do urządzenia do magnetycznego unoszenia. (b) Te kroki przygotowania próbki są również wyświetlane na ekranie urządzenia w celu ułatwienia przygotowania próbki. (c) Urządzenie wyposażone jest w cztery przyciski: przycisk powiększania obrazu próbki, aby poprawnie dostosować ostrość za pomocą pokrętła regulacyjnego; przycisk do wykonania pojedynczego pomiaru (zaimplementowano opóźnienie 5 s, aby użytkownik miał czas na włożenie próbki); przycisk do pomiaru z efektem lapse'u czasu (wykonywane są 6 obrazów w odstępach 5 s); oraz przycisk do wyłączenia urządzenia po zakończeniu użytkowania. Odtworzono za zgodą z Yenilmez, et al. 8<a href="http://cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/55012/55012fig3large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.</a>
4. Analiza obrazu4,5,6,7,8
<ol>
	<li>Uruchom oprogramowanie do analizy obrazu dołączone do urządzenia, odpowiednie dla danego typu próbki (rozkład komórek lub oddzielanie typów komórek). 
	UWAGA: W przypadku urządzenia autonomicznego analiza jest wykonywana automatycznie i wyświetlana na interfejsie graficznym. W przypadku urządzenia kompatybilnego ze smartfonem przejdź do galerii i wybierz plik wideo, który ma zostać przeanalizowany.</li>
	<li>Obserwuj i zanotuj wynik analizy wyświetlany na ekranie. 
	UWAGA: W przypadku analizy rozkładu komórek (np. diagnostyka choroby sierpowatej) wynikiem będzie szerokość ograniczenia populacji komórek. 
	UWAGA: W przypadku oddzielania typów komórek (np. identyfikacja WBC), wynikiem będzie obraz z zidentyfikowaną populacją WBC. Aby obliczyć liczbę komórek na mikrolitr, pomnóż średnią liczbę WBC na obrazie przez współczynnik 2 000. Na przykład, jeśli zaobserwowano 5 WBC, oznacza to 10 000 WBC/µL. Zakres normy uznawany jest ogólnie za 3 500 – 11 000 WBC/µL.</li>
	<li>Powtórz analizę, przesuwając probówkę z próbką o około ½ cm do lub z urządzenia i wykonując kolejny obraz do analizy, jak opisano powyżej. 
	UWAGA: Zaleca się powtarzanie analizy 5–6 razy dla każdej próbki w celu uniknięcia błędów.</li>
</ol>

<ol><li>Tasoglu, S., Khoory, J., Tekin, H., Thomas, C., Karnoub, A., Ghiran, I., Demirci, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Levitational+Image+Cytometry+with+Temporal+Resolution%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Materials%22%5BJournal%5D)">Levitational Image Cytometry with Temporal Resolution.</a> Advanced Materials. 27 (26), 3901-3908 (2015).</li>
<li>Tasoglu, S., Yu, C. H., Liadudanskaya, V., Guven, S., Migliaresi, C., Demirci, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Magnetic+Levitational+Assembly+for+Living+Material+Fabrication%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Healthcare+Materials%22%5BJournal%5D)">Magnetic Levitational Assembly for Living Material Fabrication.</a> Advanced Healthcare Materials. 4 (10), 1469-1476 (2015).</li>
<li>Tasoglu, S., Yu, C. H., Gungordu, H. I., Guven, S., Vural, T., Demirci, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Guided+and+magnetic+self-assembly+of+magnetoceptive+gels%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Communications%22%5BJournal%5D)">Guided and magnetic self-assembly of magnetoceptive gels.</a> Nature Communications. 5, 4702(2014).</li>
<li>Amin, R., Knowlton, S., Yenilmez, B., Hart, A., Joshi, A., Tasoglu, S. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2016/ra/c6ra19483d#!divAbstract">Smart-phone Attachable, Flow-Assisted Magnetic Focusing Device.</a> RSC Advances. 6, 93922-93931 (2016).</li>
<li>Knowlton, S. M., Sencan, I., Aytar, Y., Khoory, J., Heeney, M. M., Ghiran, I. C., Tasoglu, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sickle+Cell+Detection+Using+a+Smartphone%5BTitle%5D)+AND+%22Sci+Rep%22%5BJournal%5D)">Sickle Cell Detection Using a Smartphone.</a> Sci Rep. 5, 15022(2015).</li>
<li>Knowlton, S., Yu, C. H., Jain, N., Ghiran, I. C., Tasoglu, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Smart-Phone+Based+Magnetic+Levitation+for+Measuring+Densities%5BTitle%5D)+AND+%22PLoS+One%22%5BJournal%5D)">Smart-Phone Based Magnetic Levitation for Measuring Densities.</a> PLoS One. 10 (8), e0134400(2015).</li>
<li>Yenilmez, B., Knowlton, S., Tasoglu, S. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.201600144/full">Self-Contained Handheld Magnetic Platform for Point of Care Cytometry in Biological Samples .</a> Advanced Materials Technologies. 1, 1600144(2016).</li>
<li>Yenilmez, B., Knowlton, S., Yu, C. H., Heeney, M., Tasoglu, S. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.201600100/abstract">Label-Free Sickle Cell Disease Diagnosis Using a Low-Cost, Handheld Platform.</a> Adv Mat Tech. 1 (5), 1600100(2016).</li>
<li>Bender, M. A., Douthitt Seibel, G., et al. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBender%2C+MA+%22GeneReviews%22">GeneReviews</a>. Pagon, R. A. , University of Washington. Seattle, Seattle, WA. (1993).</li>
<li>Kaul, D. K., Fabry, M. E., Windisch, P., Baez, S., Nagel, R. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Erythrocytes+in+sickle+cell+anemia+are+heterogeneous+in+their+rheological+and+hemodynamic+characteristics%5BTitle%5D)+AND+%22J+Clin+Invest%22%5BJournal%5D)">Erythrocytes in sickle cell anemia are heterogeneous in their rheological and hemodynamic characteristics.</a> J Clin Invest. 72 (1), 22-31 (1983).</li>
<li>Joiner, C. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Gardos+pathway+to+sickle+cell+therapies%3F%5BTitle%5D)+AND+%22Blood%22%5BJournal%5D)">Gardos pathway to sickle cell therapies?</a> Blood. 111 (8), 3918-3919 (2008).</li>
<li>Finch, J. T., Perutz, M. F., Bertles, J. F., Döbler, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Structure+of+Sickled+Erythrocytes+and+of+Sickle-Cell+Hemoglobin+Fibers%5BTitle%5D)+AND+%22Proc+Natl+Acad+Sci%22%5BJournal%5D)">Structure of Sickled Erythrocytes and of Sickle-Cell Hemoglobin Fibers.</a> Proc Natl Acad Sci. 70 (3), 718-722 (1973).</li>
<li>Lew, V. L., Etzion, Z., Bookchin, R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dehydration+response+of+sickle+cells+to+sickling-induced+Ca%28%2B%2B%29+permeabilization%5BTitle%5D)+AND+%22Blood%22%5BJournal%5D)">Dehydration response of sickle cells to sickling-induced Ca(++) permeabilization.</a> Blood. 99 (7), 2578-2585 (2002).</li>
<li>Ernst, D. J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aErnst%2C+DJ+%22NCCLS+Procedures+for+the+Collection+of+Diagnostic+Blood+Specimens+by+Venipuncture%3A+Approved+Standard-Sixth+Addition%22">NCCLS Procedures for the Collection of Diagnostic Blood Specimens by Venipuncture: Approved Standard-Sixth Addition</a>. 27 (26), (2007).</li>
</ol>

Autorzy, Stephanie Knowlton i Savas Tasoglu, są założycielami i mają udziały w mBiotics, startupie pracującym nad komercjalizacją opisanej w niniejszym dokumencie platformy lewitacji magnetycznej dla rozwiązań diagnostycznych w miejscu opieki nad pacjentem. Tymczasowy patent zatytułowany "Lewitacja magnetyczna z pokładowym obrazowaniem optycznym i analizą obrazu w celu separacji, identyfikacji i pomiaru na podstawie gęstości" został złożony w sprawie UCONN nr 16-027 dotyczącej opisanej tutaj technologii.

Kluczowe kroki w ramach protokołu Do krytycznych czynników w tym procesie należy prawidłowe ustawienie magnesów. Jeśli magnesy zostaną przemieszczone lub oddzielone bardziej niż normalnie w urządzeniu, może to wpłynąć na wyniki. Aby skontrolować tę wadę lub inne w procesie, cząstki o kontrolowanej gęstości, takie jak mikrosfery polistyrenu, mogą być okresowo używane do kontrolowania zmian w czasie. Co więcej, czas lewitacji jest ważny, aby komórki mogły osiągnąć równowagę. W przypadku czerwonych krwinek wystarczy 10...

W niniejszym opracowaniu przedstawiamy platformę technologiczną oraz technikę wykorzystującą magnetyczne zawieszenie sprzężone z automatycznym obrazowaniem i analizą w celu zbadania rozkładu gęstości komórek pacjenta jako wskaźnika choroby. To uniwersalne podejście do analizy cytometrycznej opartej na gęstości może ostatecznie znaleźć zastosowanie w diagnostyce szerokiego zakresu chorób. Jednak aby była ona kompatybilna z testowaniem przy łóżku chorego oraz zastosowaniem w krajach rozwijających się, technika ta musi spełniać wymagania dotyczące niskich kosztów, przenośności i łatwości użytkowania. Urządzenie oraz zużywalne elementy muszą być łatwo dostępne i tanie. Przygotowanie próbki musi być proste, analiza powinna być zautomatyzowana i wymagać minimalnego udziału użytkownika lub interpretacji, a wyniki powinny być uzyskiwane szybko. Ponadto urządzenie musi być kompaktowe i przenośne, aby mogło być przydatne zarówno w warunkach klinicznych, jak i w krajach rozwijających się. W związku z tym opracowaliśmy urządzenie oraz metodę wykorzystującą magnetyczne zawieszenie w technologii kompatybilnej z diagnostyką przy łóżku chorego, łącząc automatyczne obrazowanie i analizę obrazów w celu uzyskania wyników dotyczących rozkładu gęstości populacji komórek pacjenta.
Technologie punktu opieki zapewniają wyraźną przewagę nad obecnymi procedurami laboratoryjnymi stosowanymi w klinice. Obecnie dostępne technologie są zbyt drogie, aby mógł je posiadać lekarz, albo zbyt skomplikowane, aby mogły być wykonywane przez personel medyczny. Wiele z tych procedur wymaga czasochłonnych protokołów, które muszą być przeprowadzane przez wyszkolonego technika. Z tych powodów próbki pacjentów, takie jak krew czy mocz, są zazwyczaj pobierane w gabinecie lekarskim, a następnie przesyłane do oddalonego, scentralizowanego laboratorium do badań klinicznych, co może trwać kilka dni zanim lekarz otrzyma wyniki testu. Może to powodować opóźnienia lub komplikacje w przebiegu leczenia w niektórych przypadkach, czyni te badania bardzo kosztownymi i nieefektywnymi (powodując obciążenie finansowe dla ubezpieczycieli) oraz dodatkowo sprawia, że wiele diagnostyki jest niedostępnych w warunkach ograniczonych zasobów i krajach rozwijających się.
W niniejszym opracowaniu przedstawiamy technikę magnetycznej lewitacji połączoną z automatycznym obrazowaniem i analizą, zarówno w urządzeniu wyposażonym w zintegrowane obrazowanie i przetwarzanie (Rycina 1), jak i w urządzeniu kompatybilnym ze smartfonem (Rycina 2). Urządzenia oparte na magnetycznej lewitacji stanowią szeroko stosowalną technologię platformową, którą można potencjalnie wykorzystać w różnorodnych zastosowaniach diagnostyki medycznej. Podejście oparte na magnetycznej lewitacji działa na zasadzie równowagi dwóch sił: siły magnetycznej i siły wyporu1,2,3. Gdy cząstka zawieszona jest w ośrodku paramagnetycznym i umieszczona w polu magnetycznym wytworzonym przez dwa magnesy o skierowanych ku sobie biegunach jednoimiennych, na cząstkę działa siła magnetyczna skierowana w stronę osi środkowej pomiędzy dwoma magnesami. Siła wyporu wynika z różnicy gęstości cząstki w porównaniu do ośrodka zawiesiny i jest skierowana ku górze w przypadku cząstek mniej gęstych niż ośrodek, oraz ku dołowi w przypadku cząstek gęstszych niż otaczający ośrodek. W oparciu o te dwie siły cząstki osiągają równowagową pozycję lewitacji w polu, w której siły te się równoważą; pozycja ta wiąże się bezpośrednio z gęstością cząstki – cząstki o większej gęstości lewitują niżej w polu niż cząstki mniej gęste. Moduł obrazowania, stanowiący albo wbudowaną kamerę smartfona4,5,6, albo niezależne komponenty optyczne wyposażone w soczewkę powiększającą7,8, służy do wizualizacji położenia cząstek. Następnie przetwarzanie obrazu, realizowane albo za pomocą aplikacji na smartfonie4,5,6, albo za pomocą wbudowanego modułu przetwarzającego7,8, analizuje przechwycone obrazy w celu ilościowego określenia rozkładu przestrzennego, a tym samym rozkładu gęstości populacji. Aby analizować większe próbki (na przykład takie, które zawierają zaledwie kilka interesujących cząstek na mililitr), przepływ może być bezpośrednio zintegrowany z urządzeniem, tak że cząstki są lewitowane i analizowane w trakcie przepływu przez obszar obrazowania (Rycina 2).
<img alt="Analiza pola magnetycznego; ustawienie kamery, diagram, skupienie na rozkładzie pola, obiektywie, diodzie LED, próbce." src="/files/ftp_upload/55012/55012fig1.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rycina 1"> 
Rycina 1: Samodzielna platforma magnetycznej lewitacji. (a) Kompaktowe urządzenie do magnetycznej lewitacji zawierające moduł skupiania pola magnetycznego, komponenty obrazowania (diodę elektroluminescencyjną (LED), obiektyw optyczny i detektor kamery) oraz jednostkę przetwarzania z ekranem wyświetlacza. (b) Natężenie pola magnetycznego w przekroju obszaru pomiędzy magnesami, gdzie umieszczana jest próbka. Natężenie pola jest największe na powierzchni magnesów i dąży do zera w linii środkowej pomiędzy nimi. (c) Cząstki, takie jak komórki, znajdujące się w polu magnetycznym, podlegają działaniu kilku sił: siły magnetycznej (Fm) skierowanej ku linii środkowej pomiędzy magnesami, której wartość zależy od położenia cząstki; siły grawitacyjnej (Fg'), zależnej od gęstości cząstki w porównaniu z gęstością ośrodka zawiesiny, oraz siły oporu (Fd) przeciwdziałającej ruchowi cząstki. Odtworzono za zgodą z Yenilmez, et al.8 <a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55012/55012fig1large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Układ kapilarny z wykorzystaniem magnetycznej lewitacji; schematy i obrazy urządzenia do analizy rozdziału próbek." src="/files/ftp_upload/55012/55012fig2.jpg" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="Rycina 2"> 
Rycina 2: Platforma magnetycznej lewitacji wspomaganej przepływem, kompatybilna ze smartfonem. (a-c) Widok z przodu (a), z boku (b) oraz z tyłu (c) urządzenia do magnetycznej lewitacji (d) Elementy urządzenia to: 1) moduł magnetycznej lewitacji, zawierający magnesy stałe, szkło powiększające oraz diodę LED i rozpraszacz światła, 2) obudowa smartfona, 3) elektronika, w tym mikrokontroler, sterownik pompy i odbiornik Bluetooth, 4) uchwyt mikropompy, 5) regulowany przewężenie, 6) uchwyt rurki odpadowej, 7) uchwyt baterii, 8) uchwyt próbki, 9) wielofunkcyjna podstawka i pokrywa. (e) Schemat przepływu, obrazujący pompowanie próbki przez pole magnetyczne. (f) Przekrój modułu magnetycznej lewitacji, pokazujący, jak cząstki o różnej gęstości ustawiają się podczas pompowania przez pole magnetyczne; mniej gęste cząstki, takie jak Cząstka 1, osiągną równowagę na większej wysokości lewitacji niż bardziej gęste cząstki, takie jak Cząstka 2. Odtworzono za zgodą z Amin, et al.1 <a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55012/55012fig2large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
Minimalne wymagania dotyczące użycia dowolnego próbki do analizy rozkładu gęstości w tym systemie obejmują możliwość uzyskania zawiesiny komórek lub cząstek o rozmiarze większym niż około 5 µm i mniejszym niż około 250 µm (w celu uzyskania obrazów i ich przetwarzania) oraz zgodność z mieszaniem w roztworze roztworu paramagnetycznego, takiego jak zastosowany tutaj gadobutrol. W diagnostyce chorób zgodne zastosowania obejmują przypadki, w których (i) komórki docelowe mają naturalnie zmienioną gęstość, gdy są nosicielami choroby, w porównaniu do kontroli zdrowych, (ii) zmianę gęstości można wywołać w komórce poprzez dodanie odczynnika lub innego rodzaju traktowania przez krótki czas inkubacji, lub (iii) różne typy komórek są identyfikowane w jednej próbce i mają naturalnie (lub via pewne traktowanie) unikalne charakterystyczne gęstości.
Choroba sierpowata to choroba genetyczna, powodująca wytwarzanie zmutowanej postaci hemoglobiny, HbS, w czerwonych krwinkach (RBCs), co może prowadzić do okresowych zdarzeń wazookluzyjnych i przewlekłej anemii hemolitycznej9. Diagnozuje się ją za pomocą izoelektrycznego skupiania hemoglobiny, frakcjonowania wysokosprawnej chromatografii cieczowej (HPLC) lub elektroforezy hemoglobiny, które charakteryzują się wysoką dokładnością, ale muszą być wykonywane w laboratorium klinicznym, ponieważ nie nadają się do wykorzystania w warunkach opieki punktowej. Zaproponowano testy oparte na rozpuszczalności i papierze do wykrywania choroby sierpowatej, ale zazwyczaj wymagają one subiektywnej interpretacji przez użytkownika oraz potwierdzenia wyników. W niniejszej pracy stosujemy podejście oparte na gęstości do identyfikacji sierpowatych krwinek czerwonych, które osiągają większą gęstość niż krwinki czerwone osób niebędących nosicielami choroby sierpowatej. Mechanizm ten wiąże się z polimeryzacją zmutowanej formy hemoglobiny, HbS, która powoduje odwodnienie krwinek czerwonych w warunkach deoksygenacji10,11,12,13.
Takie podejście oparte na gęstości może być również stosowane do rozdzielania komórek różnych typów na podstawie ich gęstości: białych krwinek (WBCs) i czerwonych krwinek (RBCs)7. Białe krwinki odpowiadają zazwyczaj za zwalczanie infekcji w organizmie. Cytometria białych krwinek pozwala na określenie ich liczby we krwi i stanowi przydatne narzędzie diagnostyczne. Podwyższone stężenie białych krwinek (ogólnie uznawane za przekraczające 11 000 komórek na µL) może wskazywać na obecność infekcji, zaburzenia układu odpornościowego lub białaczkę. Obniżone stężenie białych krwinek (poniżej normy, około 3500 komórek na µL) może wynikać z chorób autoimmunologicznych lub stanów uszkadzających szpik kostny. W przeciwieństwie do innych technologii, przedstawiona tutaj metoda nie opiera się na lizie czerwonych krwinek ani na barwieniu, aby zidentyfikować białe krwinki. Ten test oparty na komórkach wykorzystuje charakterystyczne, wewnętrzne gęstości obu typów komórek w celu ich rozdzielenia, ponieważ stwierdzono, że populacja białych krwinek ma niższą gęstość niż populacja czerwonych krwinek, co potwierdzono wcześniej za pomocą wirowania w gradientach gęstości1,5,8.
W porównaniu z alternatywnymi testami wykonywanymi w odległych lokalizacjach, ten test charakteryzuje się szybkością, prostą przygotowaniem próbek (Rysunek 3), oddzieleniem komórek w urządzeniu w ciągu 10–15 minut oraz automatycznym obrazowaniem i analizą, które wymagają mniej niż 1 minuty. W ten sposób urządzenie może szybko zwracać wyniki, lepiej wspomagając decyzje medyczne, umożliwiając natychmiastowe podjęcie leczenia w celu złagodzenia cierpienia fizycznego i psychicznego oraz zmniejszając ryzyko powikłań związanych z opóźnieniem w udzielaniu pomocy medycznej. Technikę tę można wykonywać w miejscu, również w warunkach klinicznych, dzięki prostemu przygotowaniu próbek oraz automatycznemu obrazowaniu i analizie, które dają wynik przy minimalnym zaangażowaniu użytkownika lub konieczności interpretacji. Ze względu na zastosowanie prostego podejścia wykorzystującego magnesy stałe do analizy próbek oraz użycie smartfona lub prostych komponentów elektrycznych do obrazowania i przetwarzania obrazów, koszty urządzenia oraz koszt pojedynczego testu są minimalne w porównaniu z niektórymi zaawansowanymi procedurami diagnostycznymi.

<table><tbody><tr><td>Gadavist (Bayer)</td><td>Jefferson Medical and Imaging</td><td>2068062</td><td>Gadavist zawiera 1M gadobutrol, chelat gadolinu. Zakupiliśmy fiolki 2 ml z 15/ok.</td></tr><tr><td>Kwadratowe szklane rurki mikrokapilarne</td><td>Vitrocom</td><td>8270</td><td>o długości 50 mm jest wystarczające</td></tr><tr><td>Pirosiarczyn sodu</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>S9000</td><td>Wzór chemiczny: Na2S2O5</td></tr><tr><td>Leica Microsystems Uszczelniacz do rur Critoseal</td><td>Fisher Scientific</td><td>02-676-20</td><td></td></tr><tr><td>Zrównoważony roztwór</td> <td>soli HankaSigma-Aldrich</td><td>H9269&nbsp; SIGMA</td><td></td></tr><tr><td>Trypsin-EDTA</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>T4049</td><td>Lub inny odczynnik zalecany dla używanego typu ogniwa</td></tr><tr><td>Nakłuwacz regulowany MICROLET 2</td><td>Walgreens</td><td>246567</td><td>Dopuszczalne jest każde nakłuwacz, jeśli jest używane zgodnie z protokołami bezpieczeństwa biologicznego</td></tr><tr><td>Microlet Lancets</td><td>Walgreens</td><td>667474</td><td>Musi być jednorazowy i nie może być ponownie używany</td></tr><tr><td>Hemacytometr fazowy Bright-Line Hausser</td><td>Fisher Scientific</td><td>02-671-6</td><td>Lub dowolna preferowana metoda liczenia komórek</td></tr><tr><td>ACK Lysing Buffer</td><td>ThermoFisher</td><td>A1049201&nbsp;</td><td></td></tr></tbody></table>

lewitacja magnetyczna w połączeniu z przenośnym obrazowaniem i analizą w diagnostyce chorób

Magnetic Levitation Coupled with Portable Imaging and Analysis for Disease Diagnostics

Obecnie, wiele klinicznych procedur diagnostycznych jest skomplikowanych, kosztownych, nieefektywnych i niedostępnych dla dużej populacji na świecie. Wymagania dotyczące specjalistycznego sprzętu i przeszkolonego personelu wymagają, aby wiele testów diagnostycznych było wykonywanych w zdalnych, scentralizowanych laboratoriach klinicznych. Lewitacja magnetyczna jest prostą, ale potężną techniką i może być stosowana do lewitacji komórek, które są zawieszone w roztworze paramagnetycznym i umieszczone w polu magnetycznym, w pozycji określonej przez równowagę między siłą magnetyczną a siłą wyporu. W tym miejscu przedstawiamy wszechstronną technologię platformy przeznaczoną do diagnostyki przyłóżkowej, która wykorzystuje lewitację magnetyczną sprzężoną z obrazowaniem mikroskopowym i automatyczną analizą w celu określenia rozkładu gęstości komórek pacjenta jako użytecznego wskaźnika diagnostycznego. Przedstawiamy dwie platformy działające na tej zasadzie: (i) wersję technologii kompatybilną ze smartfonami, w której wbudowana kamera smartfona służy do obrazowania komórek w polu magnetycznym, a aplikacja na smartfony przetwarza obrazy i mierzy rozkład gęstości komórek oraz (ii) samodzielną wersję, w której do przechwytywania obrazów używana jest płytka kamery, a wbudowana jednostka przetwarzająca z dołączonym ekranem z tranzystorem cienkowarstwowym (TFT) mierzy i wyświetla wyniki. Wykazane zastosowania obejmują: (i) pomiar zmienionego rozmieszczenia populacji komórek o fenotypie choroby w porównaniu ze zdrowym fenotypem, który stosuje się do diagnostyki niedokrwistości sierpowatokrwinkowej, oraz (ii) separację różnych typów komórek na podstawie ich charakterystycznej gęstości, która jest stosowana do oddzielania białych krwinek od czerwonych krwinek w cytometrii białych krwinek. Aplikacje te, a także przyszłe rozszerzenia podstawowych pomiarów opartych na gęstości, które są możliwe dzięki tej przenośnej, przyjaznej dla użytkownika technologii platformy, znacznie zwiększą możliwości diagnostyki chorób w miejscu opieki.

W analizie rozkładu gęstości komórek, która jest techniką stosowaną w diagnostyce anemii sierpowatej, celem jest określenie szerokości rozkładu populacji komórek. Komórki krwi pacjentów bez anemii sierpowatej będą ograniczone do przewidywalnej szerokości. Komórki pacjentów z anemią sierpowatą będą rozproszone w szerszym obszarze, z przesunięciem rozkładu komórek w dół (patrz Rysunek 4.). W przypadku konkretnego zastosowania można ustalić próg między szerokością rozkładu p...

Prezentujemy technikę lewitacji magnetycznej połączoną z automatycznym obrazowaniem i analizą zarówno w urządzeniu kompatybilnym ze smartfonem, jak i w urządzeniu z wbudowanym obrazowaniem i przetwarzaniem. Stosuje się to do pomiaru rozkładu gęstości komórek z dwoma zademonstrowanymi zastosowaniami biomedycznymi: diagnostyką niedokrwistości sierpowatokrwinkowej i oddzielaniem białych i czerwonych krwinek.

Lewitacja magnetyczna w połączeniu z przenośnym obrazowaniem i analizą w diagnostyce chorób

Currently, many clinical diagnostic procedures are complex, costly, inefficient, and inaccessible to a large population in the world. The requirements for ...

Ogólnym celem tego procesu jest przeprowadzenie analizy komórkowej opartej na gęstości dla różnych medycznych zastosowań diagnostycznych poprzez pomiar zmienionego rozmieszczenia populacji komórek lub oddzielenie typów komórek na podstawie ich charakterystycznych gęstości. Metoda ta może pomóc w rozwiązaniu kluczowego wyzwania w inżynierii biomedycznej, jakim jest przeprowadzanie ważnych metod diagnostyki medycznej za pomocą komórek w warunkach klinicznych lub krajach rozwijających się. Główną zaletą tej techniki jest to, że nie wymaga dużej ilości sprzętu ani przygotowania i może ją wykonać prawie każdy.Implikacje tej techniki rozciągają się w kierunku diagnostyki niedokrwistości sierpowatokrwinkowej, ponieważ urządzenie to może określić ilościowo zwiększoną gęstość i zmniejszoną szybkość lewitacji spowodowane warunkami niskiego poziomu tlenu w komórkach sierpowatych. Chociaż metoda ta jest przydatna w medycznych testach diagnostycznych, jak pokazano tutaj, można ją również zastosować do innych testów cytometrycznych opartych na gęstości poprzez zmianę próbki i modyfikację oprogramowania. Najpierw przygotuj 10 mililitrów 50-milimolowego roztworu gadobutrolu i Hanksa zbilansowanego

magnetic-levitation-coupled-with-portable-imaging-analysis-for

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioinżynieria

System biosensingu z modulacją magnetyczną jest wykorzystywany do szybkiego, czułego i prostego wykrywania analiz biologicznych, takich jak cząsteczki DNA i białka.

Szybka homogeniczna detekcja w testach biologicznych z wykorzystaniem systemu biosensingu z modulacją magnetyczną

Niniejszy raport zawiera szczegółowy opis nowego systemu zdalnej nawigacji opartego na siłach napędowych pola magnetycznego, który został niedawno wprowadzony jako nowe narzędzie robotyczne w procedurach elektrofizjologii serca u ludzi.

Zdalna nawigacja magnetyczna dla precyzyjnego pozycjonowania cewnika i ablacji w czasie rzeczywistym w procedurach elektrofizjologicznych serca

Ten film demonstruje system mikroprzepływowy do testu immunologicznego opartego na magnetycznych nanocząsteczkach. System detekcji wykorzystuje urządzenie mikroprzepływowe zawierające pułapkę magnetyczną w swoich kanałach. Do kanałów wprowadzane są wstępnie uformowane immunokompleksy, składające się z pokrytych antygenem nanocząstek magnetycznych związanych z przeciwciałami pierwszorzędowymi i przeciwciałami drugorzędowymi sprzężonymi z peroksydazą. Immunokompleksy zostają wychwycone w...

Test immunologiczny oparty na nanocząstkach magnetycznych przy użyciu urządzenia mikroprzepływowego

Prąd stosowany do wewnątrznaczyniowego mikrocewnika z końcówką mikrocewki wykonaną za pomocą litografii tokarki laserowej może osiągać kontrolowane odchylenia pod kontrolą rezonansu magnetycznego (MR), co może poprawić szybkość i skuteczność nawigacji naczyń krwionośnych podczas różnych zabiegów wewnątrznaczyniowych.

Magnetycznie wspomagane, zdalnie sterowane ugięcie końcówki mikrocewnika w obrazowaniu metodą rezonansu magnetycznego

Ten artykuł pokazuje oryginalną metodologię opartą na zdalnym uruchamianiu cząstek magnetycznych osadzonych w biofilmie bakteryjnym oraz rozwoju dedykowanych pęset magnetycznych do pomiaru in situ lokalnych właściwości mechanicznych złożonego żywego materiału zbudowanego przez mikroorganizmy na granicy faz.

Zdalne uruchamianie magnetyczne sond mikrometrycznych do mapowania 3D in situ właściwości fizycznych biofilmu bakteryjnego

To badanie pokazuje udane wprowadzenie obrazowania metodą rezonansu magnetycznego jako nieinwazyjnego narzędzia do oceny nieprawidłowości serca u myszy dotkniętych autoimmunologicznym zapaleniem mięśnia sercowego.  Dane wskazują, że technika ta może być stosowana do monitorowania postępu choroby u żywych zwierząt.

Nieinwazyjna ocena nieprawidłowości serca w eksperymentalnym autoimmunologicznym zapaleniu mięśnia sercowego za pomocą obrazowania za pomocą rezonansu magnetycznego u myszy

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.

Skaner detekcji magnetycznej z mieszaniem częstotliwości do obrazowania cząstek magnetycznych w próbkach planarnych

Ten artykuł opisuje metodę opartą na lewitacji magnetycznej, która może specyficznie wykrywać obecność antygenów, zarówno rozpuszczalnych, jak i związanych z błoną, poprzez ilościowe określanie zmian wysokości lewitacji koralików wychwytujących o stałej gęstości.

Kwantyfikacja gęstości komórkowych i właściwości antygenowych za pomocą lewitacji magnetycznej

Tłumaczenie wyników mikroskopii przyżyciowej jest utrudnione ze względu na jego płytką głębokość penetracji w tkanki. W tym miejscu opisujemy mysi model komory z oknem grzbietowym, który umożliwia jednoczesną rejestrację mikroskopii przyżyciowej i klinicznie stosowanych metod obrazowania (np. CT, MRI) w celu bezpośredniej korelacji przestrzennej, potencjalnie usprawniając kliniczne tłumaczenie wyników mikroskopii przyżyciowej.

Mysi model guza w komorze grzbietowego fałdu skórnego do połączonej mikroskopii przyżyciowej i obrazowania metodą rezonansu magnetycznego w translacyjnych badaniach nad rakiem

Terapia komórkowa oferuje obiecujące leczenie dla pacjentów z przewlekłą chorobą płuc poprzez zastosowanie komórek progenitorowych do naprawy uszkodzonych tkanek i poprawy funkcji płuc. Ponieważ obrazowanie odgrywa kluczową rolę w śledzeniu integracji komórek, opisujemy tutaj śledzenie in vivo terapii komórkowej dla przewlekłej choroby płuc w modelu mysim z wykorzystaniem obrazowania cząstek magnetycznych.

Zobrazenie in vivo sterydowane obrazem śledzenia przeszczepowanych komórek macierzystych nabłonka odległych płuc w przypadku zwłóknienia płuc przy użyciu obrazowania z zastosowaniem cząstek magnetycznych

Poznaj technikę lewitacji magnetycznej do analizy komórek opartej na gęstości w diagnostyce chorób. Ta metoda umożliwia diagnozowanie anemii sierpowatej i separację krwinek z minimalnym sprzętem.

Lewitacja magnetyczna w połączeniu z przenośnym obrazowaniem i analizą w diagnostyce chorób

Przeglądaj więcej filmów