Levitação magnética Juntamente com imagem Portátil e Análise para a doença Diagnostics

Resumo

Apresentamos uma técnica de levitação magnética acoplada a imagens e análises automatizadas em um dispositivo compatível com smartphone e um dispositivo com imagens e processamento incorporados. Isso é aplicado para medir a distribuição de densidade de células com duas aplicações biomédicas demonstradas: diagnóstico de doença falciforme e separação de glóbulos brancos e vermelhos.

Resumo

Atualmente, muitos procedimentos de diagnóstico clínico são complexos, caros, ineficientes e inacessíveis a uma grande população no mundo. Os requisitos para equipamentos especializados e pessoal treinado exigem que muitos testes de diagnóstico sejam realizados em laboratórios clínicos remotos e centralizados. A levitação magnética é uma técnica simples, mas poderosa, e pode ser aplicada para levitar células, que são suspensas em uma solução paramagnética e colocadas em um campo magnético, em uma posição determinada pelo equilíbrio entre uma força magnética e uma força de empuxo. Aqui, apresentamos uma tecnologia de plataforma versátil projetada para diagnósticos no local de atendimento que usa levitação magnética acoplada a imagens microscópicas e análise automatizada para determinar a distribuição de densidade das células de um paciente como um indicador de diagnóstico útil. Apresentamos duas plataformas que operam com base neste princípio: (i) uma versão compatível com smartphone da tecnologia, onde a câmera embutida do smartphone é usada para criar imagens de células no campo magnético e um aplicativo de smartphone processa as imagens e mede a distribuição de densidade das células e (ii) uma versão independente onde uma placa de câmera é usada para capturar imagens e uma unidade de processamento incorporada com tela de transistor de filme fino (TFT) acoplada mede e exibe os resultados. As aplicações demonstradas incluem: (i) medir a distribuição alterada de uma população de células com um fenótipo de doença em comparação com um fenótipo saudável, que é aplicado ao diagnóstico da doença falciforme, e (ii) separação de diferentes tipos de células com base em suas densidades características, que é aplicada para separar os glóbulos brancos dos glóbulos vermelhos para citometria de glóbulos brancos. Esses aplicativos, bem como futuras extensões das medições essenciais baseadas em densidade habilitadas por essa tecnologia de plataforma portátil e fácil de usar, aumentarão significativamente os recursos de diagnóstico de doenças no local de atendimento.

Introdução

Aqui, apresentamos uma plataforma tecnológica e uma técnica que utiliza levitação magnética juntamente com imagiologia e análise automatizada para analisar a distribuição da densidade de células de um paciente como um indicador para a doença. Esta abordagem versátil para análise de citometria de densidade baseada em última instância pode ser aplicado a uma gama de diagnóstico de doenças. No entanto, a fim de ser compatível com os testes point-of-care e uso em países em desenvolvimento, a técnica deve satisfazer os requisitos de baixo custo, portabilidade e facilidade de uso. O dispositivo e consumíveis deve ser facilmente obtidos a um custo baixo. A preparação da amostra deve ser simples, a análise deve ser automatizada com os requisitos mínimos para entrada do usuário ou interpretação, e os resultados devem ser devolvidos rapidamente. Além disso, o dispositivo deve ser compacto e portátil para ser útil em ambientes clínicos, bem como os países em desenvolvimento. Assim, desenvolvemos um dispositivo e método para usar levitação magnética no ponto de atendimento compatível com tecnogia por análise de imagem e imagem de acoplamento automatizado para retornar os resultados sobre a distribuição de densidade de uma população de células de um paciente.

tecnologias de ponto de cuidados oferecem uma vantagem notável sobre procedimentos de testes laboratoriais clínicos atuais. A tecnologia disponível atualmente é muito caro para ser possuído por um clínico ou demasiado complexo para ser realizada por pessoal médico. Muitos desses procedimentos exigem protocolos de trabalho intensivo que deve ser realizado por um técnico treinado. Por estas razões, as amostras dos doentes, tais como sangue ou urina são geralmente recolhidas no consultório do médico, em seguida, transferidas para um laboratório remota e centralizada de teste para testes clínicos, o que pode levar vários dias para o médico para receber os resultados do teste. Isto pode causar atrasos ou complicações no decurso do tratamento em alguns casos, faz com que este teste muito dispendioso e ineficiente (causando um encargo financeiro para os contribuintes de seguros), e faz com que muitos maisdiagnósticos de difícil acesso em ambientes de baixa renda e países em desenvolvimento.

Aqui, nós apresentamos uma técnica de levitação magnética acoplada com imagem automatizada e análise em ambos com um dispositivo de imagem incorporado e processamento (Figura 1) e um dispositivo de aparelho compatível (Figura 2). Estes dispositivos à base de levitação magnética representam uma tecnologia de plataforma amplamente aplicável, que tem o potencial de ser aplicado a uma variedade de diferentes aplicações de diagnóstico médico. As funções de abordagem de levitação magnética baseado num equilíbrio entre duas forças: uma força magnética e uma força de flutuação ^{1, 2, 3.} Quando uma partícula é suspenso num meio paramagnético e inserido num campo magnético gerado por dois ímans com pólos como viradas uma para a outra, uma atos força magnética sobre as partículas na direcção para a linha central entre os dois magn ets. A força da impulsão é causada pela densidade relativa da partícula em relação ao meio de suspensão e é ascendente, no caso de partículas menos densas do que o meio e para baixo no caso de partículas mais densas do que o meio circundante. Com base nestas duas forças, as partículas vão chegar a uma posição de equilíbrio do campo de levitação em que equilibra estas duas forças; esta posição está directamente relacionada com a densidade da partícula, com as partículas mais densas levitação menor no campo do que as partículas menos densas. Um módulo de imagem, quer uma câmara integrada aparelho ^{4, 5, 6} ou componentes ópticos independentes equipado com uma lente de ampliação ^{de 7, 8,} são utilizadas para visualizar as posições das partículas. Processamento de imagem, quer através de um aplicativo de smartphone ^{4, 5,}= "refex"> 6 ou uma unidade de processamento embebido ^{7, 8,} em seguida, processa as imagens capturadas para quantificar a distribuição espacial e, por conseguinte, a distribuição da densidade da população. A fim de analisar as amostras maiores (tais como aqueles com apenas algumas partículas de interesse por mililitro, o fluxo pode ser integrado directamente no dispositivo tal que as partículas são levitado e analisadas à medida que passam através da região de imagem (Figura 2).

Figura 1: Auto-contido Plataforma levitação magnética. (A) dispositivo de levitação magnética compactos, incluindo um módulo magnético focagem, componentes de imagem (um díodo emissor de luz (LED), uma lente óptica, e um detector de câmara), e uma unidade de processamento com um ecrã de visualização. (B) a força do campo magnético no croSS-secção da área entre os ímans que se insere a amostra. A intensidade do campo é maior na superfície dos ímans e se aproxima de zero na linha central entre eles. (C) As partículas, tais como células, dentro da experiência de campo magnético várias forças: a força magnética (F _m) para a linha central entre os magnetos, com magnitude variando com base na posição da partícula; uma força gravitacional (F _G ') que depende da densidade das partículas em relação à do meio de suspensão, e uma força de arrastamento (f _d) resistindo ao movimento das partículas. Reproduzido, com permissão, de Yenilmez, et al. ⁸ Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

FIGure 2: Smartphone compatível Flow-assistida Plataforma levitação magnética. (A - c) Frontal (a), lateral (b), e de volta (c) pontos de vista de dispositivo magnético de levitação (d) Os componentes do dispositivo incluem: 1) módulo de levitação magnética, incluindo ímãs permanentes, uma lente de aumento e um difusor LED e luz, 2) caso do smartphone, 3) eletrônica, incluindo um microcontrolador, controlador da bomba, e um receptor Bluetooth, 4) titular micro-bomba, 5) orifício ajustável, 6) suporte de tubos de resíduos, 7) suporte da bateria, 8 ) suporte de amostras, 9) suporte dual-purpose e cobertura. (E) fluxo esquemático, que mostra o bombeamento da amostra através do campo magnético. (F) Secção transversal do módulo de levitação magnética, que mostra como as partículas de diferentes densidades irá alinhar como eles são bombeados através do campo; menos partículas densas, como a partícula 1, irá equilibrar-se a um maior levitação altura than partículas mais densas, como a partícula 2. Reproduzido, com permissão, de Amin, et al. ¹ Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Os requisitos mínimos para o uso de qualquer amostra para análise da distribuição de densidade neste sistema incluem a capacidade para se obter uma suspensão de células ou partículas maiores do que cerca de 5 um e menos do que cerca de 250 um em tamanho (para imagens e processamento de imagens) e da sua compatibilidade com a mistura em uma solução de uma solução paramagnética como o gadobutrol usado aqui. Para o diagnóstico de doenças, aplicações compatíveis incluem aqueles em que (i) as células de interesse inerentemente tem uma densidade alterada quando executam uma doença em comparação com controlos saudáveis, (ii) uma alteração da densidade pode ser induzida na célula através da adição de um reagente ou alguns tratamento alternativo para uma curta emcubation tempo, ou (iii) diferentes tipos de células estão a ser identificados numa única amostra e inerentemente (ou através de algum tipo de tratamento) têm densidades características únicas.

A doença das células falciformes é uma desordem genética que causa uma forma mutada da hemoglobina, da HbS, a ser produzido em células vermelhas do sangue de uma pessoa (RBCs), que pode resultar em efeitos vaso-oclusivas intermitentes e anemia hemolítica crónica ^9. Ela é diagnosticada usando hemoglobina focalização isoeléctrica, cromatografia líquida de alta eficiência eletroforese (HPLC) fracionamento, ou hemoglobina, que são altamente precisos, mas deve ser realizado em um laboratório de ensaio clínico porque são incompatíveis com as configurações de ponto-de-cuidado. Solubilidade e testes baseados em papel para a doença falciforme têm sido propostas, mas geralmente exigem interpretação usuário subjetiva e teste de confirmação. Aqui, utilizamos uma abordagem baseada em densidade para identificar hemácias falciformes, que alcançam uma densidade mais elevada do que RBCs de pessoas sem doença falciforme. O mecanismo envolve a polimerização da forma mutada da hemoglobina, HbS, o que provoca a desidratação RBC nas hemácias falciformes em condições desoxigenadas ^{10, 11, 12, 13.}

Esta abordagem baseada em densidade também pode ser aplicado para separar as células de diferentes tipos com base na densidade: células brancas do sangue (leucócitos) e hemácias ^7. Glóbulos brancos são geralmente responsáveis ​​pelo combate a infecções no corpo. citometria de WBC pode ser utilizado para quantificar o número destas células no sangue e funciona como uma ferramenta de diagnóstico útil. As contagens de WBC elevado do que o normal (geralmente considerado maior do que 11.000 células por uL) pode indicar uma infecção, perturbações do sistema imunitário, ou leucemia. As contagens de WBC abaixo do intervalo normal (cerca de 3.500 células por uL) pode ser causada por distúrbios auto-imunes ou Conditiões que danos medula óssea. Ao contrário de tecnologias alternativas, o processo aqui apresentado não depende de lise dos glóbulos vermelhos ou manchas, a fim de identificar os glóbulos brancos. Este teste baseado em células aproveita as densidades inerentes únicas dos dois tipos de células para realizar a separação, tal como a densidade de população de GB tem sido relatada como sendo menor do que a da população de glóbulos vermelhos, como calculado anteriormente, utilizando o gradiente de densidade de centrifugação ^{2, 3.}

Em comparação com os testes alterativo em locais remotos, este ensaio é rápido, simples com a preparação da amostra (Figura 3), a separação das células no dispositivo dentro de 10 - 15 min, e de imagem e análise automatizada que requer menos de 1 min. Desta forma, o dispositivo pode retornar resultados rapidamente para informar melhor as decisões médicas, permitir o tratamento a ser administrado imediatamente para aliviar a dor física e psicológica, e reduzir o risco de complicações associado a um atraso no atendimento médico. Esta técnica pode ser realizado no local, quer em situações clínicas, devido a uma preparação simples da amostra e análise de imagem automatizado e que retorna um resultado com a entrada ou a interpretação mínima do utilizador. Por causa da utilização de uma abordagem simples utilizando ímans permanentes para a análise da amostra e o uso de qualquer um aparelho ou componentes eléctricos simples para imagiologia e de processamento de imagem, o dispositivo, bem como o custo por teste são mínimos em comparação com alguns procedimentos de teste sofisticados.

Protocolo

Declaração de ética: Todos os procedimentos envolvendo amostras de sangue humano foram realizadas de acordo com as normas institucionais. Todos os protocolos foram revisados ​​e aprovados pelo Conselho de Revisão Institucional. Um consentimento informado foi dado por todos os participantes.

Preparação 1. Amostra de Doença Falciforme Diagnóstico ^{5, 8}

1. Prepara-se uma solução 50 mM de gadobutrol em Solução Salina Equilibrada de Hank (HBSS).
2. Dissolve-se 10 mM de metabissulfito de sódio na solução de gadolínio.
   NOTA: metabissulfito de sódio é tóxico por inalação e fortemente irrita a pele e tecido. É um ácido corrosivo quando misturado com água. Pode decompor-se para emitir fumos tóxicos de óxido de enxofre e sódio, quando aquecido a alta temperatura.
3. Obter amostra de sangue, quer através de punção digital ou punção venosa.
   1. Tirar sangue usando um dispositivo de punção com uma lanceta limpo e descartável. Apply pressão perto do local perfurado e limpe a gota do sangue formada de três a quatro vezes antes da recolha de sangue, utilizando uma pipeta; ter o cuidado de "leite" o dedo apertando o tecido, pois isso irá resultar na contaminação da amostra com tecidos fluidos não.
   2. Alternativamente, tirar sangue utilizando procedimentos de punção venosa padrão ^14.
      NOTA: Se as amostras vai ser armazenada por mais do que algumas horas, recolher o sangue num vacutainer com um anticoagulante tal como EDTA.
4. Adicionar menos do que 1 mL de sangue de 100 ul da solução de metabissulfito de sódio-gadolínio.

2. Preparação de Amostras para WBC Citometria ⁷

1. Obter amostra de sangue, quer através de punção digital ou punção venosa, como na seção 1.
2. Opcional: Lyse GVs com um tampão de lise dos glóbulos vermelhos. Pipetar 5 ul de sangue em 500 mL de tampão de lise de RBC e incubar à temperatura ambiente durante 3-5 minutos.
   NOTA:isto pode ser feito para confirmar a gama de levitação de uma população isolada de glóbulos brancos. No entanto, não é necessário para executar este passo, como os resultados aqui apresentados demonstram que os glóbulos vermelhos levitar numa posição claramente mais baixa do que glóbulos brancos.
3. Diluir o sangue total 1: 1.000 em Gd 25 mM em HBSS
   NOTA: se a lise das células foi realizada, diluir a amostra lisadas 9: 1 amostra lisadas: Gd 250 mM para se obter uma amostra que continha Gd 25 mM.

3. Análise de Amostras usando a plataforma Magnetic Levitation ^{4, 5, 6, 7, 8}

1. Inicie o dispositivo de levitação magnética:
   1. Para o dispositivo auto-suficiente, conecte o dispositivo, deixe-o ligar, e coloque sobre uma superfície plana e nivelada.
   2. Para a versão do smartphone compatível, inicie o aplicativo do smartphone e deslize para a esquerda para entrar imagemmodo de captura, e coloque em uma superfície plana e nivelada.
2. Para levitação magnética estática:
   1. Carregar a amostra preparada em um tubo microcapilar de vidro quadrada mergulhando a extremidade na solução e deixar a amostra encher o capilar através da acção capilar.
   2. Vedar a extremidade com um tubo de vedante ao pressionar lentamente uma extremidade do capilar para dentro do material.
   3. Inserir o capilar entre os ímãs do dispositivo de levitação magnética de modo que apenas 1 cm do tubo permanece visível (consulte a Figura 3 para uma ilustração da preparação da amostra).
      NOTA: Este passo é o mesmo tanto para o aparelho smartphone compatível e auto-suficiente.
   4. Aguarde 10 min sem perturbar o dispositivo ou o capilar.
3. Para levitação magnética assistida por fluxo:
   1. Carregar a amostra no tubo de amostra.
   2. Ligue o tubo de entrada entre o recipiente da amostra e microcapillary e conecte a tubulação de saída entre o microcapilar e recipiente de resíduos.
   3. Defina os parâmetros de intensidade e de fluxo de LED.
4. Certifique-se de que as células são visíveis no campo de visão, em seguida, pressione o botão de captura para capturar uma imagem (botão 3 no dispositivo auto-suficiente e o botão da câmera na parte inferior da tela do aplicativo de smartphone).
   NOTA: Se um USB é usado para armazenar as imagens, crie uma pasta chamada "imagens" e inserir o USB antes de ligar o dispositivo. Se nenhuma unidade estiver presente, o dispositivo irá armazenar as imagens em sua memória interna e transferido mais tarde.
   NOTA: Várias imagens podem ser capturadas e analisadas para reduzir o risco de anomalias movendo o capilar dentro ou para fora cerca de ½ cm entre captura de imagem.
   Observação: se o número de células no campo de visão é demasiado elevado ou demasiado baixo (conforme detectado e comunicado no interface de utilizador), deslocar o capilar dentro ou para fora do dispositivo ou preparar outra SAmple.
5. Retirar a amostra e descartar a amostra de acordo com as normas institucionais ou locais. Capilares devem ser eliminados como uma afiada.

Figura 3: Preparação de Amostras e interface de usuário. (A) O procedimento de preparação da amostra envolve lancetar dedo do sujeito, formando uma gota de sangue, transferindo a gota de sangue para a solução de teste de amostra, a agitação da amostra e carregar para um tubo capilar através da acção capilar, e a inserção da amostra no levitação magnética dispositivo. (B) Estas etapas de preparação de amostras também são exibidos na tela do dispositivo para orientar a preparação da amostra. (C) O dispositivo inclui quatro botões: um botão para ampliar a imagem da amostra, a fim de ajustar adequadamente o foco usando o botão de ajuste; um botão para obter uma única mEDIÇÃO (um atraso de 5 s é implementado para dar tempo para que o utilizador insira a amostra); uma medição de lapso de tempo (6 imagens são tomadas em intervalos de 5 s); e um botão para desligar o dispositivo após o uso. Reproduzido, com permissão, de Yenilmez, et al. ⁸ Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

4. Análise de Imagem ^{4, 5, 6, 7, 8}

1. Executar o software de análise de imagem incluído no dispositivo para a amostra adequada (distribuição de célula ou tipo de separação de células).
   NOTA: Para o dispositivo auto-contido, a análise é realizada automaticamente e exibidos na interface gráfica do utilizador. Para o aparelho smartphone compatível, para realizar a análise, vá para a galeria umand selecione o arquivo de vídeo desejado a ser analisado.
2. Observar e registrar a saída da análise exibido na tela.
   NOTA: Para a análise de distribuição de células (tal como o diagnóstico da doença das células falciformes), a saída será a largura de confinamento da população de células.
   NOTA: Para separação tipo de células (tais como identificação de WBC), a saída será uma imagem com a população de GB identificado. De modo a calcular o número de células por microlitro, multiplicar o número médio de leucócitos por imagem por um factor de 2.000. Por exemplo, se foram observadas 5 WBCs, isso indicaria 10.000 glóbulos brancos / mL. O intervalo normal é geralmente considerado como sendo de 3.500 - 11.000 glóbulos brancos / mL.
3. Repetir a análise movendo o tubo de amostra dentro ou para fora do dispositivo de cerca de ½ cm e capturar outra imagem para ser analisada como descrito acima.
   NOTA: Recomenda-se a repetição da análise 5 - 6 vezes por amostra para evitar erros.

Resultados

Para a análise de distribuição de densidade de células, que é a técnica utilizada para o diagnóstico da doença das células falciformes, o objectivo é o de identificar a largura da distribuição da população de células. As células do sangue de pacientes sem doença falciforme serão confinados dentro de uma largura previsível. Células de pacientes com a doença das células falciformes será distribuído ao longo de uma região mais larga, com uma inclinação para baixo na distribuição celular (ve...

Discussão

Passos críticos dentro do Protocolo
factores críticos neste processo incluem o alinhamento adequado dos magnetos. Se os ímãs tornar-se desalojado ou separados mais do que o normal no interior do dispositivo, isso pode afetar os resultados. Para controlar esta falha ou outros no processo, uma partícula controlado por densidade, tais como microesferas de poliestireno, pode ser utilizado periodicamente para controlar as variações ao longo do tempo. Além disso, o tempo de levitação é importante para permitir que as c...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Gadavist (Bayer)	Jefferson Medical and Imaging	2068062	Gadavist contém 1M de gadobutrol, um quelato de gadolínio. Compramos frascos de 2 ml com 15/ca.
Tubos microcapilares de vidro quadrados	Vitrocom	8270	50 mm de comprimento é suficiente
Metabissulfito de sódio	Sigma-Aldrich	S9000	Fórmula química: Na2S2O5
Leica Microsystems Selante de tubo Critoseal	Fisher Scientific	02-676-20
Solução	salina balanceada de HankSigma-Aldrich	H9269  SIGMA
Tripsina-EDTA	Sigma-Aldrich	T4049	Ou outro reagente recomendado para o tipo de célula utilizada
MICROLET 2 Dispositivo de Punção Ajustável	Walgreens	246567	Qualquer dispositivo de punção é aceitável quando usado de acordo com os protocolos de biossegurança
Lancetas de Microlet	Walgreens	667474	Deve ser descartável e não reutilizado
Hemacitômetro de Fase Hausser Bright-Line	Fisher Scientific	02-671-6	Ou qualquer método preferido para contagem de células
ACK Lysing Buffer	ThermoFisher	A1049201