Reducción de gravedad Demostraciones entorno de hardware de un prototipo miniaturizado citómetro de flujo y Compañero Microfluidos Tecnología de mezcla
Summary
Diagnósticos sanguíneos vuelo espacial necesitan innovación. Pocas manifestaciones han sido publicados ilustrando en vuelo, la tecnología de diagnóstico de salud de gravedad reducida. Aquí presentamos un método para la construcción y operación de un banco de pruebas de vuelo parabólico para un diseño de la citometría de flujo en el punto de atención de prototipo, con componentes y estrategias de preparación adaptables a otras configuraciones.
Abstract
Hasta hace poco, se recogieron muestras de sangre de los astronautas durante el vuelo, transportados a la Tierra en el transbordador espacial, y se analizaron en los laboratorios terrestres. Si los seres humanos son a viajar más allá de la órbita baja de la Tierra, una transición hacia el espacio listo, punto-de-cuidado se requiere (POC) de pruebas. Este tipo de pruebas tiene que ser integral, fácil de realizar en un ambiente de gravedad reducida, y no afectada por las tensiones de lanzamiento y el vuelo espacial. Dispositivos POC Innumerables han sido desarrollados para imitar homólogos a escala de laboratorio, pero la mayoría tienen aplicaciones estrechas y pocos tienen uso demostrable en un ambiente reducido la gravedad en vuelo. De hecho, las manifestaciones de los diagnósticos biomédicos en gravedad reducida se limitan por completo, por lo que la elección de los componentes y ciertos desafíos logísticos difícil acercarse al tratar de probar la nueva tecnología. Para ayudar a llenar el vacío, presentamos un método modular para la construcción y operación de un dispositivo de diagnóstico de sangre prototipo y su p asociadoarabolic banco de pruebas de vuelo que cumple con las normas para las pruebas de vuelo a bordo de un vuelo parabólico, aviones reducido la gravedad. El primer método se centra en el montaje de equipo de perforación, pruebas en vuelo reducido la gravedad de un citómetro de flujo y un chip de microfluidos mezcla compañero. Los componentes son adaptables a otros diseños y algunos componentes personalizados, tales como un cargador de muestras microvolumen y la micromezclador pueden ser de particular interés. El método entonces enfoque cambia a la preparación del vuelo, ofreciendo pautas y sugerencias para prepararse para una prueba de vuelo con éxito en lo que respecta a la formación de los usuarios, el desarrollo de un procedimiento operativo estándar (SOP), y otras cuestiones. Por último, se describen en vuelo los procedimientos experimentales específicas a nuestras manifestaciones.
Introduction
La insuficiencia de los diagnósticos de salud en el espacio listo actuales presenta un factor limitante para profundizar la exploración espacial tripulada. Diagnóstico necesitan ser integral, fácil de usar en gravedad reducida y relativamente poco afectada por las tensiones de lanzamiento y el vuelo espacial (por ejemplo, altas fuerzas G, la vibración, la radiación, los cambios de temperatura y presión de la cabina cambios). Los avances en las pruebas de punto de atención (POCT) pueden traducirse en soluciones efectivas de vuelo espacial a través del uso de las muestras de pacientes más pequeños (por ejemplo, un pinchazo en el dedo), fluidos más simples y de menor tamaño (es decir, de microfluidos), y la reducción de los requerimientos de energía eléctrica, entre otros ventajas. La citometría de flujo es un enfoque atractivo para POC en el espacio debido a la amplia utilidad de la tecnología, incluyendo hacia el recuento de células y cuantificación de biomarcadores, así como la miniaturización potencial significativo. Anterior citómetros de flujo en el espacio relevante incluyen la 'efic embalaje nucleariency '(NPE) instrumento que utiliza la fluorescencia de arco de la lámpara simultánea inducida y volumen electrónico (Coulter volumen) de medición 1-4, un relativamente pequeño flujo de sobremesa citómetro de representación de la' primera generación de flujo en tiempo real de datos de citometría durante gravedad cero '5, un 'microflujo sin vaina citómetro' capaz de 4 y 5 parte de glóbulos blancos (WBC) recuento diferencial utilizando pretratado 5 l muestras de sangre entera de 6-9, y un 'fibra óptica basada en' citómetro de flujo recientemente probado a bordo en el Internacional Estación Espacial 10.
La evaluación de la tecnología de diagnóstico para aplicaciones espaciales potenciales se realiza normalmente a bordo de aeronaves en gravedad reducida que utilizan una trayectoria de vuelo aproximadamente parabólica para simular un nivel deseado de ingravidez (por ejemplo, gravedad cero, marciana-gravedad) 11. La evaluación es un reto porque las oportunidades de vuelo son limitados, repetventanas cortas sitivos de la microgravedad puede hacer que sea difícil evaluar metodologías o procesos que normalmente requieren períodos ininterrumpidos más largos de 20 a 40 segundos, y manifestaciones pueden requerir equipo adicional no utilizado fácilmente en vuelo 12-15. Por otra parte, las manifestaciones anteriores de tecnologías de diagnóstico in vitro (IVD) usados en, o diseñados para, gravedad reducida son limitadas y mucho trabajo permanece inédito. Además de los citómetros de flujo anteriormente, otros IVD-tecnologías espaciales relevantes descritos en la literatura incluyen un dispositivo de tinción de sangre entera para aplicaciones de inmunofenotipaje 16, un sistema automatizado de cámara basado en citómetro de 12, un analizador clínico de mano para potenciometría integrado, amperometría, y Conductometría 12,17, un dispositivo de microfluidos 'T-sensor' para la cuantificación del analito que se basa en una mezcla basada en la difusión y la separación 18, y una rotación 'laboratorio en un CD' plataforma de diagnóstico 19,20. Los recién llegados a las pruebas de gravedad reducida también pueden mirar a demostraciones de vuelo parabólico no relacionadas con el diagnóstico in vitro cuando se trata de hacer de la evaluación dispositivo posible (o averiguar lo que es posible). Las manifestaciones de otros experimentos médicos o biológicos anterior con la preparación del vuelo, las estrategias durante el vuelo, y el equipo de pruebas de vuelo bien documentado se incluyen en la Tabla 1 15, 21-35. Estos pueden ser de carácter informativo debido a la inclusión de tareas manuales en vuelo, el uso de equipo especializado, y la contención experimental.
| Categoría | Ejemplos |
| Atención médica de emergencia | La intubación traqueal (laringoscopio guiada, en maniken) 21, de soporte vital cardíaco (cerdos anestesiados) 22 |
| La atención quirúrgica | La cirugía laparoscópica (vídeo simula 23, en cerdos anestesiados 24,25) |
| Imagen médica o evaluación fisiología | Ultrasonido con cámara de presión negativa inferior del cuerpo 26, medidor de flujo Doppler (montado cabeza) 27, monitor de la presión venosa central 28 |
| Equipos biológica especializada | Lector de microplacas (y la caja en vuelo guante) 29, sistema de control de temperatura para los experimentos del ciclo celular 30, microscopio (campo claro, contraste de fase y fluorescencia multicanal capaz) 15, capilarunidad de electroforesis acoplado al microscopio de vídeo 31 |
| Otro | Recolección de plantas con fórceps 32, contenida ratas 33,34 y 35 de peces para la observación |
Tabla 1. Antena vuelo de demostración con ejemplos bien descrito Métodos / Experimentos
Para ampliar los ejemplos anteriores y proporcionar un mayor conocimiento de exitosas demostraciones en vuelo, estamos presentando un procedimiento modular y adaptable para la construcción y operación de un prototipo citómetro de flujo con la tecnología de mezcla de microfluidos relacionada como parte de un banco de pruebas de vuelo parabólico. La plataforma permite a las manifestaciones de la carga de la muestra, la mezcla de microfluidos, y la detección de las partículas fluorescentes, y se puso a prueba a bordo de la NASA de 2010 facilitó el acceso a Medio Ambiente Espacial (FAST) flig parabólicaHTS, volados del 29 de septiembre al 1 de octubre de 2010. Estas demostraciones tirar desde el principio, medio y final, respectivamente, de un potencial de flujo de trabajo de dispositivo en el que se cargan, diluidos o mezclados con reactivos de muestras de sangre por punción capilar-tamaño, y se analizaron por medio de óptica detección. Escalar un citómetro de flujo en una unidad compacta requiere innovación y la selección cuidadosa parte. Personalizado y componentes fuera de la plataforma se usan aquí, elegido como mejores aproximaciones iniciales de elecciones finales de componentes, y pueden ser adaptables a los designios de otros innovadores. Siguiendo un esquema de opciones de componentes prototipo, la configuración se describe en una estructura de soporte que sirve de esqueleto para el montaje de perforación. Componentes del prototipo se asignan lugares, asegurados, y acompañados por los componentes adicionales necesarios para la experimentación con éxito. La atención se desplaza a procedimientos más abstractas que implican un procedimiento estándar de operación (SOP) el desarrollo, la capacitación y otros aspectos logísticos. Por último, los procedimientos de demostración-específica sondescrito. Las estrategias que aquí se describen y las opciones de apoyo a los componentes del equipo de perforación (por ejemplo, un microscopio, caja de acrílico, etc.), aunque implementado aquí por prototipo específico, hablan a las cuestiones generales y desafíos relevantes para probar cualquier equipo de diagnóstico en sangre en un ambiente de gravedad reducida .
En los vuelos de 2010, dos lunar-gravedad (el logro de aproximadamente 1/6 gravedad de la tierra) y dos vuelos de microgravedad fueron programadas a través de 4 días, aunque en última instancia, estos fueron reprogramados en 3 días. Las manifestaciones se llevaron a cabo a bordo de un avión de pasajeros del jet modificado de gestión privada, de fuselaje estrecho 36. Cada vuelo, a condición 30-40 parábolas, cada uno produciendo aproximadamente 20 seg de alta gravedad (aproximadamente 1,8 g), seguido de 20-25 seg de las condiciones de gravedad reducida. Después se ejecuta la mitad de las parábolas, el avión se detuvo por un período de alrededor de 5-10 minutos en el nivel de vuelo para que el avión para dar la vuelta y regresar hacia el lugar de aterrizaje, mientras que performing el resto de las parábolas.
Protocol
Representative Results
Discussion
El método descrito aquí permitió demostración efectiva de los principales componentes de la tecnología (la carga de la muestra, de mezcla de microfluidos, y detección óptica) durante los 2010 RÁPIDOS vuelos parabólicos, con resultados comparables a pruebas en tierra. Los métodos de formación y SOP descritos aquí fueron particularmente eficaz, y ayudaron a iluminar herramientas y otro ser 'muletas' confiado en para demostraciones prácticas que no estarían disponibles a bordo del vuelo parabólico. <…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Desarrollo de hardware fue apoyado por los contratos NNX09CA44C y NNX10CA97C NASA SBIR. Análisis de los datos de las manifestaciones de bloques y cargador de muestras ópticas fue apoyado por la NASA Fase III NNC11CA04C Contrato. La colección de la sangre humana se realizó utilizando NASA IRB Protocolo # SA-10-008. Software de control / adquisición proporcionada a través del Programa de Becas de Dispositivos Médicos de National Instruments. Moldes para los microchips se realizaron en las instalaciones de microfabricación Johns Hopkins y el Centro Harvard para sistemas a nanoescala. Otto J. Briner y Lucas Jaffe (Instituto de Medicina del ADN) ayudaron en el montaje en rack durante el verano de 2010. El personal de vuelo de la NASA de vídeo proporcionado imágenes de vídeo durante la semana de vuelo. Carlos Barrientos (Instituto de Medicina del ADN) proporcionó fotografía y cifra la asistencia. Un agradecimiento especial a la facilitó el acceso a la tecnología espacial para el Medio Ambiente 2010 del programa, la Oficina de la NASA Gravedad Reducida, la División de Contramedidas Adaptación Humana y del Centro de Investigación Glenn de la NASA,ZIN Technologies, y el Programa de Investigación en Seres Humanos.
Materials
| 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. |
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