Spaceflight diagnostik blod behöver innovation. Få demonstrationer har publicerats som visar under flygning, med reducerad gravitation hälsa diagnostisk teknik. Här presenterar vi en metod för byggande och drift av ett parabelflygning testrigg för en prototyp point-of-care flödescytometri design med komponenter och beredningsstrategier kan anpassas till andra inställningar.
Fram till nyligen var astronaut blodprover under flygning, transporteras till jorden med rymdfärjan, och analyseras i markbundna laboratorier. Om människor ska kunna resa utanför låg omloppsbana runt jorden, en övergång till rymd redo, point-of-care (POC) tester krävs. Sådan testning måste vara heltäckande, lätt att utföra i en reducerad gravitation miljö, och påverkas inte av den stressiga lansering och rymdfärder. Otaliga POC anordningar har utvecklats för att efterlikna laboratorieskala motsvarigheter, men de flesta har smala program och få har påvisbara användning i en in-flight, reducerad gravitation miljö. Faktum är att demonstrationer av biomedicinska diagnostiken i reducerad gravitation begränsad helt och hållet, vilket gör komponent val och vissa logistiska utmaningar svårt att närma sig när de söker att testa ny teknik. För att hjälpa till att fylla tomrummet, presenterar vi en modulär metod för uppförande och drift av en prototyp blod diagnostisk enhet och dess tillhörande parabolic flygtestrigg som uppfyller normerna för provflygningar ombord en parabolisk flygning, reducerad gravitation flygplan. Metoden först fokuserar på riggen enhet för under flygning, med reducerad gravitation testning av en flödescytometer och en kamrat mikroflödesblandnings chip. Komponenterna är anpassningsbar till andra konstruktioner och vissa anpassade komponenter, såsom en microvolume prov lastare och micromixer kan vara av särskilt intresse. Metoden sedan skift fokus på flykten förberedelser, genom att erbjuda riktlinjer och förslag för att förbereda för en lyckad flygtest med avseende på användarutbildning, utveckling av en standardrutin (SOP), och andra frågor. Slutligen under flygning experimentella procedurer som är specifika för våra demonstrationer beskrivs.
Bristerna i de nuvarande rymd redo diagnostik hälsa utgör en begränsande faktor för djupare bemannade rymdutforskning. Diagnostik måste vara heltäckande, lätt att använda i reducerad gravitation, och relativt opåverkad av den stressiga lansering och rymdfärder (t.ex. höga G-krafter, vibrationer, strålning, temperaturförändringar och kabintryckförändringar). Utvecklingen i point-of-care testning (POCT) kan översättas till effektiva rymdfärder lösningar med hjälp av mindre patientprover (t.ex. en fingerprick), enklare och mindre flödeskunskap (dvs mikrofluidik), och minskade elektriska effektbehov, bland annat fördelar. Flödescytometri är en attraktiv metod för in-space POC grund av den breda användbarheten av tekniken, bland annat mot cellräkning och biomarkör kvantifiering, samt betydande miniatyrisering potential. Tidigare rymd relevant flödescytometrar inkluderar "kärnvapenpacknings efficiency "(NPE) instrument som utnyttjade samtidig båge-lampa inducerad fluorescens och elektronisk volym (Coulter volym) mätning 1-4, en relativt liten bänk flödescytometer representera den" första generationen av realtids flödescytometri data under tyngdlöshet "5, en "sheathless mikroflödes cytometer" kapabel av 4- och 5-del vita blodkroppar (WBC) differentialräkning med hjälp av förbehandlat 5 pl helblodsprover 6-9, och en "fiberoptisk baserad" flödescytometer nyligen testade ombord på den internationella Space Station 10.
Utvärdera diagnostisk teknik för potentiella rymdtillämpningar utförs typiskt ombord reducerad gravitation flygplan som använder en ungefär parabelflygning bana för att simulera en önskvärd nivå på tyngdlöshet (t.ex. nollgravitation, martian gravitation) 11. Utvärdering är en utmaning eftersom flygmöjligheterna är begränsade, repettiva korta fönster av tyngdlöshet kan göra det svårt att bedöma metoder eller processer som normalt kräver oavbruten perioder längre än 20-40 sekunder, och demonstrationer kan kräva ytterligare utrustning som inte lätt utnyttjas under flygning 12-15. Dessutom, tidigare demonstrationer av in vitro-diagnostik (IVD) teknik som används i, eller konstruerade för, reducerad gravitation är begränsad och mycket arbete återstår opublicerad. Utöver de ovan nämnda flödescytometrar, andra rymd relevant IVD-teknik som beskrivs i litteraturen inkluderar helblod färgningsanordning för immunfenotypning tillämpningar 16, en automatiserad kamerabaserat cytometer 12, en handhållen klinisk analysator för integrerad potentiometri amperometri och conductometry 12,17, en mikroflödes "T-sensor" anordning för analyt kvantifiering som är beroende av diffusion baserad blandning och separation 18, och en roterande lab på en CD "diagnostik plattform 19,20. Nykomlingar till reducerad gravitation testning kan också se till paraboliska flyg demonstrationer utan samband med in vitro-diagnostik vid försök att göra enhets utvärdering möjligt (eller räkna ut vad som är möjligt). Demonstrationer från andra tidigare medicinska eller biologiska experiment med väldokumenterad förberedelserna, under flygning strategier och flyg testutrustning ingår i tabell 1 15, 21-35. Dessa kan vara informativ på grund av införandet av manuell under flygning uppgifter, användning av specialutrustning och experimentell inneslutning.
Kategori | Exempel |
Akut sjukvård | Trakealintubation (laryngoskop styrd, på Maniki) 21, hjärtlivsuppehållande (sövda grisar) 22 |
Kirurgisk vård | Laparoskopisk kirurgi (video simulerade 23, på sövda grisar 24,25) |
Medicinsk bildbehandling eller fysiologi bedömning | Ultraljud med underkroppen undertryckskammare 26, Doppler flödesmätare (huvud monterat) 27, centralt ventryck monitor 28 |
Specialiserade biologiska utrustning | Mikroplattläsare (och under flygning handskfacket) 29, temperaturregleringssystem för cellcykelexperiment 30, mikroskop (ljusfält, faskontrast och flerkanals fluorescens kapabel) 15, kapillärelektroforesenhet kopplad till videomikroskop 31 |
Annat | Växt skörd med pincett 32 innehöll råttor 33,34 och fisk 35 för observation |
Tabell 1. parabelflygning Demonstrations Exempel med väl beskrivna metoder / Experiment
Att expandera på tidigare exempel och ge större insikt i framgångsrika under flygning demonstrationer, presenterar vi en modulär och anpassningsbar förfarande för uppförande och drift av en prototyp flödescytometer med tillhörande mikroflödesblandningsteknik som en del av ett parabelflygning testrigg. Riggen möjliggör demonstrationer av provbelastning, mikroflödes blandning, och fluorescerande upptäckt partikel, och testades ombord på 2010 NASA förenklad tillgång till Space Environment (FAST) parabolisk fligHTS, flögs från 29 september – 1 oktober 2010. Dessa demonstrationer drar från början, mitten och slutet, respektive av en potentiell anordning arbetsflöde där fingersticksstora blodprov är laddade, spädas eller blandas med reagenser, och analyserades via optisk detektion. Skalning en flödescytometer i en kompakt enhet kräver innovation och noggrann del val. Anpassad och off-the-shelf komponenter används här, vald till bästa tidiga approximationer av slutgiltiga val komponent, och kan vara anpassningsbar till de mönster av andra innovatörer. Efter en översikt av valmöjligheter prototyp komponent, är installationen beskrivs på en stödstruktur som fungerar som ett skelett för riggmontering. Prototyp komponenter tilldelas platser, säkrade, och åtföljs av ytterligare komponenter som behövs för en lyckad experiment. Uppmärksamhet skiftar sedan till mer abstrakta procedurer som involverar standardrutin (SOP) utveckling, utbildning och annan logistik. Slutligen demonstrationsspecifika förfarandenbeskrivas. De strategier som beskrivs här och de val att stödja riggkomponenter (t.ex. mikroskop, akryl box, etc.), men genomförda här för specifik prototyp, tala med de allmänna frågor och utmaningar som är relevanta för att testa något blod diagnostisk utrustning i en reducerad gravitation miljö .
På flygningar 2010, två lunar gravitation (uppnå ca 1/6 jord gravitation) och två mikrogravitations flyg var planerad över 4 dagar, men i slutändan dessa bokas om över 3 dagar. Demonstrationer genomfördes ombord en modifierad privat drivna, narrow body jet flygplan 36. Varje flygning förutsatt 30-40 parabler, var och gav ca 20 sek av hög gravitation (ca 1,8 g) följt av 20-25 sek med reducerad gravitation förhållanden. Efter hälften av parabler avrättades, pausade planet under en period av ca 5-10 min i planflykt så att planet att vända och gå tillbaka mot landningsplatsen medan performing resten av de parabler.
Den metod som beskrivs här möjlig effektiv demonstration av de stora teknikkomponenter (prov lastning, mikroflödesblandnings och optisk detekterings) under 2010 FAST parabelflygningar, resultaten var jämförbara med försöksområde. Utbildning och SOP metoder som beskrivs här var särskilt effektiva, och hjälpte till att belysa verktyg och andra "kryckor" åberopas för praxis demonstrationer som inte skulle vara tillgängligt ombord på parabelflygning.
Förbättringsområd…
The authors have nothing to disclose.
Hårdvaruutveckling stöddes av NASA SBIR Kontrakt NNX09CA44C och NNX10CA97C. Uppgiftsanalysen för de optiska blocket och provlastar demonstrationer stöddes av NASA fas III Kontrakts NNC11CA04C. Den mänskliga blodinsamling utfördes med hjälp av NASA IRB Protocol # SA-10-008. Kontroll / förvärv programvara som tillhandahålls genom National Instruments Medical Device Grant Program. Formar för mikrochips gjordes vid Johns Hopkins mikrofabrikation anläggning och Harvard Center for Nanoscale Systems. Otto J. Briner och Luke Jaffe (DNA Medicine Institute) hjälpt i rackenhet under sommaren 2010. NASA flyg video personal som videofilmer under flygning veckan. Carlos Barrientos (DNA Medicine Institute) förutsatt fotografi och figur hjälp. Särskilt tack till förenklad tillgång till Space Environment for Technology 2010 Program, NASA Minskad Gravity Office, Human Adaptation och Motåtgärder Division, NASA Glenn Research Center,ZIN Technologies, och 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. |