Lewitacja magnetyczna w połączeniu z przenośnym obrazowaniem i analizą w diagnostyce chorób
19 lutego 2017
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.
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 roztworu soli.
Następnie dodać pirosiarczyn sodu, aby osiągnąć stężenie 10 milimolowe w roztworze gadolinu. Umieścić 100 mikrolitrów roztworu podstawowego pirosiarczynu gadolinu sodu w probówce do mikrowirówki. Pobrać próbkę krwi za pomocą standardowych technik nakłucia żyły lub za pomocą opuszki palca.
Aby pobrać próbkę z opuszki palca, należy uciskać w pobliżu przekłutego miejsca, nie ściskając tkanki. Przetrzeć przekłute miejsce co najmniej trzy razy, a następnie pobrać próbkę krwi za pomocą mikropipetora. Wymieszać do jednego mikrolitra próbki krwi z roztworem pirosiarczynu sodu gadolinu w probówce, aby uzyskać próbkę do diagnozy niedokrwistości sierpowatokrwinkowej.
Pierwszy, przygotuj zarówno 25, jak i 250 milimolowe roztwory gadobutrolu i Hanksa zrównoważony roztwór soli. Następnie należy pobrać próbkę krwi za pomocą opisanych wcześniej technik nakłucia palca lub nakłucia żyły. Rozcieńczyć około jednego mikrolitra próbki krwi przez współczynnik 1000 25 milimolowym roztworem gadobutrolu, aby uzyskać próbkę do cytometrii białych krwinek.
Aby przygotować dodatkową próbkę do określenia zakresu lewitacji samych białych krwinek, dodaj 5 mikrolitrów próbki krwi do 500 mikrolitrów buforu do lizy czerwonych krwinek. Inkubować mieszaninę w temperaturze pokojowej przez trzy do pięciu minut. Następnie należy przygotować roztwór składający się z jednej części 250-milimolowego roztworu gadolinu i dziewięciu części lizatu, aby otrzymać roztwór próbki lizatu o stężeniu gadolinu 25 milimolowym.
Aby rozpocząć analizę próbki, włącz urządzenie i umieść je na równej powierzchni. Pobrać próbkę do kwadratowej szklanej rurki kapilarnej. Gdy rurka jest wypełniona do połowy, uszczelnij koniec uszczelniaczem do rurek kapilarnych.
Włóż kapilarę do modułu lewitacji magnetycznej urządzenia tak, aby widoczny był tylko jeden centymetr rurki. Pozostawić próbkę w spokoju w urządzeniu przez 10 minut w celu zrównoważenia. Następnie sprawdź, czy interesujące Cię komórki są widoczne na ekranie.
Naciśnij pojedynczy przycisk pomiaru, aby zapisać obraz. Rejestruj wyniki analizy automatycznie wyświetlane na ekranie. Jeśli urządzenie wskazuje, że na ekranie znajduje się zbyt wiele lub zbyt mało komórek, należy nieznacznie wsunąć lub wyjąć kapilarnę z urządzenia i wyrównać próbkę przez kolejne 10 minut.
Po zapisaniu pierwszego obrazu przesuń kapilarnę do środka lub na zewnątrz o około 0,5 centymetra. Pozwól próbce się zrównoważyć, a następnie uzyskaj inny obraz do analizy. Aby uniknąć błędów, należy uzyskać dane z co najmniej pięciu obrazów z różnych lokalizacji próbki.
Zapisz obrazy na urządzeniu lub na dysku USB. Po zakończeniu wyjmij próbkę z urządzenia i zutylizuj ją w odpowiedni sposób. Najpierw dopasuj smartfon do urządzenia lewitacji magnetycznej.
Upewnij się, że aparat smartfona znajduje się w jednej linii z modułem lewitacji magnetycznej. Przymocuj smartfon pionowo na stojaku na równej powierzchni. Włóż kapilarę do modułu lewitacji i przymocuj rurkę mikropompy do każdego końca.
Umieścić fiolkę z próbką w uchwycie na próbkę. Następnie uruchom aplikację na smartfona. Włącz mikropompę i ustaw parametry natężenia przepływu i jasności diody LED na pierwszym ekranie.
Gdy próbka płynnie przepływa, przesuń palcem w lewo, aby przejść do trybu przechwytywania obrazu. Zdobądź co najmniej pięć różnych filmów. Następnie w sekcji analizy aplikacji wybierz opcję Analiza wspomagana przepływem i otwórz każdy plik do analizy.
Po poddaniu lewitacji magnetycznej komórki krwi od pacjentów bez niedokrwistości sierpowatokrwinkowej są ograniczone do przewidywalnej szerokości. Komórki od pacjentów z niedokrwistością sierpowatokrwinkową są rozmieszczone w szerszym regionie, który ma tendencję spadkową. Znajduje to odzwierciedlenie w analizie szerokości zamknięcia.
Zdrowe komórki kontrolne pojawiają się w wąskim paśmie, podczas gdy komórki sierpowe pojawiają się w szerszym paśmie ze znacznie większą zmiennością całkowitej szerokości. Za pomocą tej metody można również różnicować poszczególne typy komórek o dyskretnych zakresach gęstości, przy czym najlepszą separację osiąga się przy niskich stężeniach gadolinu. W tym przypadku wysokość lewitacji białych krwinek określono na podstawie próbki, której czerwone krwinki zostały poddane lizie przed analizą.
Ta znana wysokość lewitacji była używana do liczenia białych krwinek. Aby obliczyć liczbę białych krwinek na mikrolitr próbki rozcieńczonej przez jeden do 1000, liczbę komórek zaobserwowanych na obrazie mnoży się przez 2000. Po opanowaniu tej techniki można ją wykonać w zaledwie 10 minut, jeśli jest wykonywana prawidłowo.
Postępując zgodnie z tą procedurą, inni badacze mogą wykorzystać to podejście do opracowania medycznych testów diagnostycznych dla szeregu schorzeń.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy artykuł przedstawia technikę lewitacji magnetycznej do analizy komórkowej opartej na gęstości, która znajduje zastosowanie w diagnostyce medycznej. Metoda ta jest szczególnie użyteczna w diagnostyce anemii sierpowatej oraz w separacji różnych typów komórek krwi.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Inżynieria biomedyczna
- Analiza komórkowa
- Diagnostyka medyczna
Wstęp
- Analiza komórkowa oparta na gęstości jest kluczowa dla wielu zastosowań medycznych.
- Obecne metody często wymagają rozbudowanego sprzętu i czasochłonnego przygotowania.
- Niniejsza technika ma na celu uproszczenie tego procesu w celu zwiększenia jego dostępności.
- Rozwiązuje ona problemy związane z diagnostyką schorzeń takich jak anemia sierpowata.
Cel badania
- Opracowanie metody pomiaru rozkładów gęstości komórek.
- Ułatwienie diagnostyki anemii sierpowatej.
- Umożliwienie rozdziału leukocytów i erytrocytów na podstawie ich gęstości.
Zastosowane metody
- Technika lewitacji magnetycznej do analizy komórkowej.
- Zautomatyzowane systemy obrazowania i analizy.
- Urządzenia kompatybilne ze smartfonami i zintegrowanym obrazowaniem.
- Przygotowanie roztworu gadobutrolu do testów.
Główne wyniki
- Technika ta pozwala na skuteczne pomiar rozkładów gęstości komórek.
- Wykazano jej efektywność w diagnostyce anemii sierpowatej.
- Osiągnięto rozdział typów komórek krwi w oparciu o ich gęstość.
- Metoda jest przystępna i wymaga minimalnego wyposażenia.
Wnioski
- Ta technika lewitacji magnetycznej stanowi obiecujące podejście w diagnostyce medycznej.
- Można ją dostosować do różnych testów cytometrycznych opartych na gęstości.
- Metoda ta ma potencjał do zastosowania w warunkach klinicznych oraz w krajach rozwijających się.
Najczęściej zadawane pytania
Zastosowanie w przemyśle
Ta platforma lewitacji magnetycznej odpowiada na potrzebę dostępnej diagnostyki w punkcie opieki (point-of-care), umożliwiając analizę komórkową opartą na gęstości przy minimalnym zapleczu sprzętowym i szkoleniu użytkownika. Wspiera ona wczesne wykrywanie chorób oraz profilowanie hematologiczne w warunkach ograniczonych zasobów, zmniejszając zależność od scentralizowanych laboratoriów. Technologia ta zwiększa zasięg diagnostyczny i elastyczność operacyjną w ramach globalnych inicjatyw zdrowotnych.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie fenotypów gęstości związanych z chorobami, takich jak deformacja komórek sierpowatych w warunkach hipoksji, co wspiera walidację celów mechanistycznych.
- Wartość operacyjna: Zapewnia szybki, niewymagający rozbudowanego sprzętu test do funkcjonalnej walidacji biomarkerów opartych na gęstości w modelach przedklinicznych.
Przesiewanie i opracowanie analizy
- Wartość naukowa: Generuje ilościowe odczyty rozkładu gęstości, które mogą być wykorzystane do ustalenia okien testowych dla przesiewu związków w modelach chorób hematologicznych.
- Wartość operacyjna: Oferuje standaryzowany, przenośny format dla powtarzalnej separacji i analizy komórek, co ułatwia transfer testów pomiędzy ośrodkami.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Wspiera ciągłość translacyjną, umożliwiając fenotypowanie oparte na gęstości od próbek badawczych po walidację przedkliniczną przy zastosowaniu tej samej zasady pomiaru.
- Wartość operacyjna: Pozwala na spójne monitorowanie zmian w populacjach komórek w modelach chorobowych, co dostarcza informacji niezbędnych do podejmowania decyzji o dalszych etapach badań z uwzględnieniem analizy ryzyka.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta wpisuje się w kontinuum od etapu odkrywania do badań przedklinicznych, dostarczając fenotypowych danych opartych na gęstości, które mogą pomóc w wyborze celu, przygotowaniu testów oraz dopasowaniu biomarkerów translacyjnych.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez dotyczących zmian gęstości związanych z chorobami, umożliwiając biologiczną redukcję ryzyka w przypadku celów terapeutycznych zaangażowanych w patofizjologię komórkową.
- Przesiewy: Dostarcza gotowe do analizy wyniki ilościowe do oceny wpływu związków na rozkład gęstości komórek w modelach opartych na krwi.
- Analityka: Zapewnia zautomatyzowaną analizę obrazu szerokości ograniczenia i wysokości lewitacji, umożliwiając statystyczne porównanie różnych warunków eksperymentalnych.
- Badania translacyjne: Łączy się z procesami przedklinicznymi poprzez umożliwienie podłużnego śledzenia fenotypów gęstości w modelach chorobowych z wykorzystaniem identycznych protokołów pomiarowych.
- Wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Funkcjonuje jako platforma wielokrotnego użytku w wielu wskazaniach poprzez adaptację przygotowania próbek i analizy programowej, co maksymalizuje inwestycje w infrastrukturę.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwa
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną poprzez powiązanie zmian gęstości komórkowej z fenotypami chorób, co zmniejsza niejednoznaczność w określaniu mechanizmu docelowego.
- Wartość operacyjna: Poprawia powtarzalność i skalowalność dzięki standaryzowanemu pobieraniu próbek z kapilar oraz zautomatyzowanej analizie obrazu.
- Wartość strategiczna: Usprawnia podejmowanie decyzji o kontynuacji lub przerwaniu badań (go/no-go) poprzez umożliwienie wczesnej stratyfikacji modeli chorób w oparciu o gęstość, co redukuje straty na późniejszych etapach.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację programów badawczych nad chorobami hematologicznymi i zakaźnymi z uwzględnieniem ryzyka dzięki dostępnemu przesiewowi fenotypowemu.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga podstawowego przeszkolenia w zakresie obsługi kapilar i przygotowania próbek w celu uzyskania powtarzalnych wyników.
- Zależność od dostępu do modułów lewitacji magnetycznej oraz kompatybilnych systemów obrazowania (smartfona lub wbudowanej kamery).
- Konieczność standaryzacji stężeń gadobutrolu oraz czasów równowagowania w różnych ośrodkach badawczych.
- Należy uwzględnić zmienność lepkości próbek i temperatury podczas adaptacji metody do różnych płynów biologicznych lub systemów modelowych.
- Ograniczenie do rozróżniania na podstawie gęstości; brak możliwości rozdzielenia komórek o zbliżonych właściwościach wypornościowych bez zastosowania markerów ortogonalnych.
Najczęściej zadawane pytania dotyczące biofarmacji
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
