Rumflyvning blod diagnostik brug innovation. Få demonstrationer er blevet offentliggjort illustrerer under flyvning, reduceret tyngdekraft sundhed diagnostisk teknologi. Her præsenterer vi en metode til opførelse og drift af en parabolflyvning test rig til en prototype point-of-care flow-cytometri design, med komponenter og forberedelse strategier tilpasses andre opsætninger.
Indtil for nylig blev blodprøver astronaut opsamlet i flyvningen transporteres til jorden på rumfærgen, og analyseret i terrestriske laboratorier. Hvis mennesker er at rejse over lav kredsløb om Jorden, en overgang til rum-klar, point-of-care (POC) test. Sådan afprøvning skal være omfattende, let at udføre i en reduceret-tyngdekraft miljø, og upåvirket af de belastninger af lanceringen og rumflyvning. Utallige POC enheder er blevet udviklet til at efterligne laboratorieskala kolleger, men de fleste har smalle programmer og få har påviselig brug i et in-flight, reduceret tyngdekraft miljø. Faktisk er demonstrationer af biomedicinske diagnostik reduceret tyngdekraft begrænset helt, hvilket gør komponent valg og visse logistiske udfordringer vanskeligt at nærme, når de forsøger at afprøve ny teknologi. At hjælpe med at udfylde det tomrum, præsenterer vi en modulær metode til opførelse og drift af en prototype blod diagnostisk enhed og dens tilhørende parabolic prøveflyvningsprogram rig, der opfylder de standarder for fly-testing ombord en parabolsk flyvning, reduceret tyngdekraft fly. Metoden først fokuserer på rig samling for in-flight, reduceret tyngdekraft afprøvning af et flowcytometer og en kammerat mikrofluid blanding chip. Komponenter er tilpasses andre designs og nogle brugerdefinerede komponenter, såsom en microvolume prøve loader og Micromixer kan være af særlig interesse. Metoden så skift fokus til forberedelse fly, ved at tilbyde retningslinjer og forslag til at forberede sig til en vellykket flyvning test med hensyn til bruger uddannelse, udvikling af en standard (SOP), og andre spørgsmål. Endelig in-flight eksperimentelle særlige procedurer for vores demonstrationer beskrevet.
Utilstrækkeligheden af de nuværende rum-ready sundhedsmæssige diagnostik præsenterer en begrænsende faktor til dybere bemandede udforskning af rummet. Diagnostics skal være omfattende, let at bruge i reduceret tyngdekraft, og relativt upåvirket af de belastninger af lancering og rumflyvning (fx høje G-kræfter, vibrationer, stråling, temperaturændringer og kabine trykændringer). Udviklingen i point-of-care test (POCT), kan oversætte til effektive rumflyvning løsninger gennem brug af mindre patientprøver (fx en finger pik), enklere og mindre fluidics (dvs. mikrostrømning), og reduceret elektriske krav, blandt andet fordele. Flowcytometri er en attraktiv fremgangsmåde i-space POC grund af den brede anvendelighed af teknologi, herunder mod celletælling og biomarkør kvantificering, samt betydeligt potentiale miniaturisering. Tidligere rum-relevant flowcytometre omfatter »pakning effic nukleareiency «(NPE) instrument, der udnyttede samtidig arc-lampe induceret fluorescens og elektronisk volumen (Coulter volumen) måling 1-4, en relativt lille benchtop flowcytometer repræsenterer» første generation af real-time flowcytometri data under nul tyngdekraft »5, en sheathless Microflow cytometer 'kan 4- og 5-del af hvide blodlegemer (WBC) differentialtælling ved hjælp forbehandlet 5 pi fuldblodsprøver 6-9, og en fiberoptisk-baserede "flowcytometer nylig testet ombord i International Space Station 10.
Evaluering diagnostisk teknologi for potentielle rumapplikationer udføres typisk ombord reduceret tyngdekraft fly, der bruger en omtrent parabolsk flyveveje at simulere en valgte niveau for vægtløshed (f.eks nul-tyngdekraft, Martian-tyngdekraft) 11. Evaluering er en udfordring, fordi flyvningerne er begrænsede, repetitive korte vinduer af vægtløshed kan gøre det vanskeligt at vurdere metoder eller processer, der normalt kræver uafbrudt perioder længere end 20-40 sekunder, og demonstrationer kan kræve ekstra udstyr ikke nemt udnyttes under flyvningen 12-15. Endvidere tidligere demonstrationer af in vitro-diagnostik (IVD) teknologier, der anvendes i eller er beregnet til, reduceret tyngdekraft er begrænsede og stadig meget arbejde utrykt. Ud over de ovennævnte flowcytometre, andre rum- relevant IVD-teknologi er beskrevet i litteraturen omfatter en fuldblod farvning indretning til immunfænotype applikationer 16, en automatiseret kamera baseret cytometer 12, en håndholdt klinisk analysator til integreret potentiometri, amperometri og conductometry 12,17, en microfluidic 'T-sensor »Udstyr til analyt kvantificering, der bygger på diffusion-baserede blanding og adskillelse 18, og en roterende» lab på en CD' diagnostik platform 19,20. Nyankomne til reduceret tyngdekraft testning kan også se til parabolske flyvedemonstrationer ikke er relateret til in vitro-diagnostik, når de forsøger at gøre enheden evaluering muligt (eller finde ud af, hvad der er muligt). Demonstrationer fra andre tidligere medicinsk eller biologisk eksperimenter med veldokumenteret præparat flyvningen, in-flight-strategier, og flugt testudstyr er inkluderet i tabel 1 15, 21-35. Disse kan være informativt skyldes medtagelse af manualen in-flight opgaver, anvendelse af specialiseret udstyr og eksperimentel inddæmning.
Kategori | Eksempler |
Akut lægehjælp | Trakealintubation (laryngoskop-styret, på Maniki) 21, hjerte- liv Support (bedøvede grise) 22 |
Kirurgisk pleje | Laparoskopisk kirurgi (video simuleret 23 på bedøvede grise 24,25) |
Medicinsk billedbehandling eller fysiologi vurdering | Ultralyd med underkroppen negativt trykkammer 26, Doppler flowmeter (hoved monteret) 27, centralt venetryk monitor 28 |
Specialized biologisk udstyr | Mikropladeaflæser (og in-flight handskerummet) 29, system til cellecyklus eksperimenter 30, mikroskop temperaturkontrol (brightfield, fasekontrast, og multi-kanal fluorescens stand) 15, kapillærelektroforese koblet til video mikroskop 31 |
Andre | Plant høst med pincet 32, indeholdt rotter 33,34 og fisk 35 til observation |
Tabel 1. Parabolic flyvedemonstration Eksempler med velbeskrevne metoder / Eksperimenter
At udvide den tidligere eksempler og give større indsigt i succesfulde in-flight demonstrationer, præsenterer vi et modulopbygget og smidig procedure for opførelse og drift af en prototype flowcytometer med tilhørende mikrofluid blanding teknologi som en del af en parabolflyvning prøvestand. Riggen giver demonstrationer af prøve lastning, microfluidic blanding, og fluorescenspåvisning partikel, og blev testet ombord 2010 NASA lettere adgang til Space Environment (FAST) parabolsk fligHTS fløjet fra den 29. september til den 1. oktober 2010. Disse demonstrationer trække fra begyndelsen, midten og slutningen, henholdsvis en potentiel anordning workflow, hvor fingerprik mellemstore blodprøver er indlæst, fortyndes eller blandes med reagenser og analyseret via optisk detektion. Skalering et flowcytometer til en kompakt enhed kræver innovation og omhyggelig del udvælgelse. Brugerdefineret og off-the-shelf komponenter bruges her, valgt som bedste tidlige tilnærmelser af sidste komponent valg og kan være tilpasses de design af andre innovatorer. Efter en skitse af prototype komponent valg, opsætningen er beskrevet på en støttestruktur, der tjener som et skelet for rig samling. Prototype komponenter tildeles steder, sikret, og ledsaget af yderligere komponenter, der er nødvendige for en vellykket forsøg. Opmærksomheden blev derefter skifter til mere abstrakte procedurer, der involverer standard (SOP) udvikling, uddannelse og anden logistik. Endelig demonstration-specifikke procedurer erbeskrevet. De her beskrevne strategier og valg af støtte rig komponenter (fx mikroskop, akryl boks, etc.), selvom der gennemføres her for specifik prototype, tale til de generelle problemstillinger og udfordringer der er relevante for at teste noget blod diagnostisk udstyr i en reduceret tyngdekraft miljø .
I 2010 flyvninger, to månens tyngdekraft (nå cirka 1/6 jord tyngdekraft) og to mikro-tyngdekraft flyvninger blev planlagt på 4 dage, men i sidste ende disse blev omlagt over 3 dage. Demonstrationer blev udført om bord på et modificeret privat drevet, smalkroppet jet passagerfly 36. Hver flyvning billede 30-40 parabler, hver gav ca. 20 sek høj gravitation (ca. 1,8 g) efterfulgt af 20-25 sek med reduceret tyngdekraft betingelser. Efter halvdelen af parabler blev henrettet, flyet standsede i en periode på omkring 5-10 min i vandret flyvning at gøre det muligt for flyet at vende rundt og hovedet tilbage mod landingsstedet mens performing resten af parabler.
Den her beskrevne metode aktiveret effektiv demonstration af de vigtigste teknologiske komponenter (prøve lastning, microfluidic blanding, og optisk detektion) i løbet af 2010 FAST parabolflyvninger, med sammenlignelige resultater til jord test. Uddannelse og SOP her beskrevne metoder var særlig effektiv, og hjalp med at belyse redskaber og andre 'krykker' væsen lagt til grund for praksis demonstrationer, der ikke ville være til rådighed om bord Parabolic flyvning.
Indsatsområ…
The authors have nothing to disclose.
Udvikling Hardware blev støttet af NASA SBIR Kontrakter NNX09CA44C og NNX10CA97C. Dataanalyse for de optiske blok og prøve loader demonstrationer blev støttet af NASA fase III Contract NNC11CA04C. Den menneskelige blodopsamling blev udført under anvendelse NASA IRB Protocol # SA-10-008. Kontrol / erhvervelse software, der leveres gennem National Instruments Medical Device Grant Program. Forme til mikrochips blev foretaget i Johns Hopkins mikrofabrikation faciliteten og Harvard Center for Nanoscale Systems. Otto J. Briner og Luke Jaffe (DNA Medicine Institute) hjulpet i rack forsamling i løbet af sommeren 2010. NASA flyvning video personale forudsat videooptagelser under flyvningen uge. Carlos Barrientos (DNA Medicine Institute) forudsat fotografi og figur assistance. Særlig tak til den lettere adgang til Space Environment for Teknologi 2010-programmet, NASA Reduceret Gravity Office, Human Tilpasning og Modforanstaltninger Division, NASA Glenn Research Center,ZIN Technologies, og Human Research Program.
Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
Micro air pump | Smart Products, Inc. | AP-2P02A | Max pressure = 6.76 psi; 1.301” x 0.394” x 0.650” , 0.28 oz (8 g); available direct from Smart Products |
Differential pressure sensor | Honeywell International, Inc. | ASDX015D44R | Range of 0-15psi; 0.974" x 0.550" x 0.440", 0.09 oz (2.565 g); suppliers include Digi-Key and Mouser Electronics |
Rigid plastic vial (small size) | Loritz & Associates, Inc. | 55-05 | Polystyrene; ID 0.81" (20.6 mm), IH 2.06" (52.4 mm); available direct from LA Container Inc.; similar product available from Dynalab Corp. |
Rigid plastic vial (larger size) | Loritz & Associates, Inc. | 55-140 | Polystyrene; ID 1.88" (47.6 mm), IH 3.31" (84.1 mm); available direct from LA Container Inc.; similar product available from Dynalab Corp. |
latex examination gloves | dynarex corporation | 2337 | Middle finger used for latex diaphragm in fluid source vial. Other brands (e.g., Aurelia ® Vibrant ™) acceptable. |
Optical glue | Norland Products | NOA 88 | Low outgassing adhesive; available direct from Norland; Also available from Edmund Optics Inc. |
3-way solenoid valves | The LEE Company | LHDA0531115H | Gas valves, but can function with liquid; 1.29 " L, 0.28 " D. Discontinued product. Similar products available from The LEE Company. |
Volumetric water flowmeter | OMEGA Engineering inc. | FLR-1602A | Non-contacting flow rate meter strongly preferred. We recommend SENSIRION LG16 OEM Liquid Flow Sensor for flow rates from nl/min up to 5 ml/min. |
PCD-mini photon detector | Sensl | PCDMini-00100 | For fluorescence detection; available direct from Sensl |
Accelerometer | Crossbow Technology, Inc. | CXL02LF3 | 3-demensional force detection. Supplied to DMI by NASA. Similar product available from Vernier Software & Technology, LLC. |
Stereomicroscope | AmScope | SE305R-AZ-E | |
CCD Camera | Thorlabs | DCU223C | 1024 x 768 Resolution, Color, USB 2.0; available direct from Thorlabs |
USB and Trigger Cable (In/Out) for CCD Camera | Thorlabs | CAB-DCU-T1 | Available direct from Thorlabs |
Microbore tubing | Saint-Gobain Corporation | AAD04103 | Tygon®; ID 0.02", OD 0.06", 500ft, 0.02" wall. Suppliers: VWR, Thermo Fisher Scientific Inc. |
Hollow steel pins | New England Small Tube | (Custom) | 0.025" OD, 0.017" ID, 0.500” L, stainless steel tube, type 304, cut, deburred, passivated; enable microbore tubing connections, chip tubing connections |
Slide clamp | World Precision Instruments, Inc. | 14042 | Available direct from World Precision Instruments |
Leur adaptor pieces | World Precision Instruments, Inc. | 14011 | Available direct from World Precision Instruments |
Silicon wafer | Addison Engineering, Inc. | 6" diameter; for SU-8 mold fabrication | |
Polydimethylsiloxane (PDMS) elastomer base | Dow Corning | 3097366-1004 | Supplier: Global Industrial SLP, LLC |
Polydimethylsiloxane (PDMS) elastomer curing agent | Dow Corning | 3097358-1004 | Supplier: Global Industrial SLP, LLC |
Needle (23 gauge), bevel tip | Terumo Medical Corporation | NN-2338R | Ultra thin wall; 23G x 1.5"; 22G also usable; suppliers: Careforde, Inc., Port City Medical |
Dispensing needle (23 gauge), blunt tip | CML Supply | 901-23-100 | 23Gx 1"; available from CML Supply |
Rotary tool | Robert Bosch Tool Corporation | 1100-01 | Dremel® 1100-01 Stylus™ |
Cover glass | Thermo Fisher Scientific, Inc. | 12-518-105E | Gold Seal™ noncorrosive borosilicate glass; for PDMS chip cover; 24×60 mm; available from Thermo Fisher Scientific, Inc. |
Vacuum pump | Mountain | MTN8407 | For degassing PDMS; supplier: Ryder System, Inc. |
Vacuum chamber | Thermo Fisher Scientific, Inc. | 5311-0250 | Nalgene™ Transparent Polycarbonate; available from Thermo Fisher Scientific, Inc. |
Plasma cleaner | Harrick Plasma | PDC-32G | |
Hand magnifier | Mitutoyo | 183-131 | Use in reverse direction to enable viewing at ~15". |
Ethanol | CAROLINA | 861283 | For chip cleaning. Dilute to 70% using millipore water. |
Water purification system | Thermo Fisher Scientific, Inc. | D11901 | Available direct from Thermo Fisher Scientific, Inc. |
Optomechanical translation mounts | Thorlabs | K6X | 6-Axis Kinematic Optic Mount; discontinued product; new product (K6XS) available direct from Thorlabs |
Laptop | Hewlett-Packard | VP209AV | HP Pavilion Laptop running Windows 7 |
Laptop tray (spring loaded) | National Products, INC. | RAM-234-3 | RAM Tough-Tray™. Can accommodate 10 to 16 inch wide laptops. |
USB splitter | Connectland Technology Limited | 3401167 | |
USB Data Acquisition Cards (8 analog input, 12 digital I/O) | National Instruments | NI USB-6008 | 12-Bit, 10 kS/s Low-Cost Multifunction DAQ |
USB Data Acquisition Cards (16 analog input, 32 digital I/O) | National Instruments | NI USB-6216 | 16-Bit, 400 kS/s Isolated M Series MIO DAQ, Bus-Powered |
Control/acquisition Software | National Instruments | LabVIEW 2009 | Custom coded National Instruments (NI) LabVIEW |
3D Solid Modeling Software | Dassault Systèmes SolidWorks Corp. | SolidWorks 2011 | |
2D Modeling Software | AUTODESK | AutoCAD LT 2008 | |
Vertical equipment rack | (NASA provided) | N/A | |
Solid aluminum optical breadboard | Thorlabs | MB2424 | 24" x 24" x 1/2", 1/4"-20 Taps; available direct from Thorlabs |
Industrial grade steel and hardener | The J-B Weld Company | J-B Weld Steel Reinforced Epoxy Glue | |
Micro-hematocrit capillary | Fisher Scientific | 22-362-574 | inner diamter 1.1 to 1.2 mm |
1 mL syringes | Henke-Sass, Wolf | 4010.200V0 | NORM-JECT®; supplier: Grainger, Inc. |
Human red blood cells | Innovative Research | IPLA-WB3 | Tested and found negative by supplier for: HBsAg, HCV, HIV-1, HIV-2, HIV-1Ag or HIV 1-NAT, ALT, and syphilis by FDA-Approved Methods. Because no test methods can guarantee with 100% certainty the absence of an infectious agent, human derived products should be handled as suggested in the U.S. Department of Health and Human Services Manual on BIOSAFETY IN MICROBIOLOGICAL AND BIOMEDICAL LABORATORIES, FOR POTENTIALLY INFECTIOUS HUMAN SERUM OR BLOOD SPECIMENS |
Phosphate buffered saline concentrate | P5493 | SIGMA | 10x; diluted to 1x |
Tween | P9416 | SIGMA | TWEEN® 20 |
Centrifuge | LW Scientific | STRAIGHT8-5K | Swing-Out 8-place Centrifuge. Available through authorized dealers. Other centrifuges available direct from LW Scientific. |
HD video recorder | Sony | MHS-CM5 | |
Orange fluorescent nucleic acid stain | Invitrogen | S-11364 | SYTO® 83 Orange Fluorescent Nucleic Acid Stain. Stored in DMSO solvent. Always wear reccommended Personal Protective Equipment. No special handling advice required. |
Fluorescent counting beads | Invitrogen | MP 36950 | CountBright™ Absolute Counting Beads. Always wear reccommended Personal Protective Equipment. No special handling advice required. |