질병 진단을위한 휴대용 이미징 및 분석과 결합 자기 부상
Summary
We present a magnetic levitation technique coupled with automated imaging and analysis in both a smartphone-compatible device and a device with embedded imaging and processing. This is applied to measure the density distribution of cells with two demonstrated biomedical applications: sickle cell disease diagnosis and separating white and red blood cells.
Abstract
Currently, many clinical diagnostic procedures are complex, costly, inefficient, and inaccessible to a large population in the world. The requirements for specialized equipment and trained personnel require that many diagnostic tests be performed at remote, centralized clinical laboratories. Magnetic levitation is a simple yet powerful technique and can be applied to levitate cells, which are suspended in a paramagnetic solution and placed in a magnetic field, at a position determined by equilibrium between a magnetic force and a buoyancy force. Here, we present a versatile platform technology designed for point-of-care diagnostics which uses magnetic levitation coupled to microscopic imaging and automated analysis to determine the density distribution of a patient’s cells as a useful diagnostic indicator. We present two platforms operating on this principle: (i) a smartphone-compatible version of the technology, where the built-in smartphone camera is used to image cells in the magnetic field and a smartphone application processes the images and to measures the density distribution of the cells and (ii) a self-contained version where a camera board is used to capture images and an embedded processing unit with attached thin-film-transistor (TFT) screen measures and displays the results. Demonstrated applications include: (i) measuring the altered distribution of a cell population with a disease phenotype compared to a healthy phenotype, which is applied to sickle cell disease diagnosis, and (ii) separation of different cell types based on their characteristic densities, which is applied to separate white blood cells from red blood cells for white blood cell cytometry. These applications, as well as future extensions of the essential density-based measurements enabled by this portable, user-friendly platform technology, will significantly enhance disease diagnostic capabilities at the point of care.
Introduction
여기서는 기술 플랫폼 및 질병에 대한 지표로서 환자의 세포의 밀도 분포를 분석하는 자동화 된 이미지 분석과 함께 자기 부상을 사용하는 기술을 제시한다. 밀도 계 세포 측정 분석이 다용도 방법은 궁극적으로 질환 진단의 범위에 적용될 수있다. 그러나, 순서대로 포인트의 케어 테스트와 호환되도록 개발 도상국에서 사용하는 기술은 저렴한 비용으로 휴대 성 및 편의성에 대한 요구 사항을 충족해야합니다. 장치 및 소모품 용이하게 저비용으로 획득해야한다. 샘플 제조가 간단하며, 분석은 사용자 입력 또는 해석 최소 요건 자동화되어야하고, 그 결과를 신속하게 복귀한다. 또한,이 장치는 임상뿐만 아니라 개발 도상국에 유용 할 수 작고 휴대해야합니다. 따라서, 우리는 케어 포인트에 대응 기술이 자기 부상을 사용하는 장치 및 방법을 개발했다커플 링 자동화 이미징 및 이미지 분석에 의해이 ogy는 환자의 세포 집단의 밀도 분포에 대한 결과를 반환합니다.
포인트의 케어 기술은 현재 임상 실험실 테스트 절차를 통해 주목할만한 장점을 제공합니다. 현재이 기술은 임상 소유하기에 너무 비싸거나 의료진에 의해 수행하기에 너무 복잡하다. 이러한 절차의 대부분은 숙련 된 기술자가 수행해야합니다 노동 집약적 인 프로토콜을 필요로한다. 이러한 이유로, 혈액이나 소변 등의 환자 샘플은 일반적으로 다음 테스트의 결과를받을 의사 며칠이 걸릴 수 있습니다 임상 시험에 대한 원격 중앙 집중화 된 시험 기관에 전송 된 의사의 사무실에서 수집됩니다. 이것은 (보험 납부자에 대한 경제적 부담을 유발)이 시험은 매우 비용이 많이 들고 비효율적하게, 일부 경우에 처리하는 과정에서 지연이나 합병증을 야기하고, 또한 많은 수있게낮은 리소스 설정과 개발 도상국에 액세스 진단.
여기서 우리는 임베디드 이미징 및 처리 (그림 1)과 스마트 폰 호환 장치 (그림 2)와 장치 모두에서 자동화 이미징 및 분석과 결합 된 자기 부상 기술을 제시한다. 이 자기 부상 기반 장치는 전위를 갖는 광범위하게 적용 가능한 플랫폼 기술은 서로 다른 의료 진단 어플리케이션의 범위에 적용 할 나타낸다. 자력 및 부력 1, 2, 3 : 두 힘 사이의 평형에 기초하여 상기 자기 부상 방식의 기능을한다. 입자는 상자성 배지에 현탁시키고 두 MAGN 사이의 중심선의 방향으로 입자에 자력이 작용 대향 같은 극이 자석에 의해 발생 된 자기장에 삽입하면 ETS. 부력은 현탁 매질에 비해 파티클의 상대 밀도에 의한 주변 매질보다 조밀 한 입자의 경우보다 더 적은 매체 조밀 하향 입자의 경우 상향이다. 이들 두 힘에 기초하여, 입자는 이들 두 힘의 균형 필드 평형 부상 위치에 도달한다; 이 위치를 직접 저밀도 입자보다 낮은 필드에서 부양 밀집 입자, 입자의 밀도에 관한 것이다. 촬상 모듈은 하나 내장 스마트 폰 카메라 4, 5, 6 또는 확대 렌즈 (7, 8)를 구비 독립적 광학 부품, 입자의 위치를 시각화하는데 사용된다. 이미지 처리, 중 스마트 폰 응용 프로그램을 통해 4, 5,= "외부 참조"> 6 포함 처리부 (7), (8), 그리고, 따라서, 인구의 밀도 분포를 공간적 분포를 정량화하기 위하여 캡쳐 된 이미지를 처리한다. 이러한 밀리리터 관심 몇 입자 것과 큰 샘플을 (분석하기 위해, 흐름은 이러한 입자가 부상하는 장치에 직접 통합 그들이 촬상 영역을 (도 2)를 통과 할 때 분석 될 수있다.
그림 1 :자가 포함 된 자기 부상 플랫폼. (a) 디스플레이 스크린의 자기 포커싱 모듈, 촬상 부품 (발광 다이오드 (LED), 광학 렌즈 및 카메라 검출기), 및 프로세싱 유닛을 포함하여 소형 자기 부상 장치. (b) 상기 (CRO)에서 자기장 강도샘플이 삽입되는 자석들 사이의 영역의 SS 섹션. 전계 강도는 자석의 표면에서 최대이고, 그들 사이의 중심선에서 0에 접근한다. (c) 입자와 같은 세포로서, 자기장 환경에서 여러 부대 : 마그네틱 간의 중심선 방향으로 자기력 (F의 m) 크기를 갖는 입자의 위치에 기초하여 변경시키는; 현탁 매질의 상대 입자 밀도에 의존하는 중력 (F의 g ') 및 입자 운동 저항 드래그 힘 (F의 d). Yenilmez에서, 허가, 재현, 등. 8 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
무화과URE 2 : 스마트 폰 호환 흐름 이용한 자기 부상 플랫폼. (a – c) 전면 (a) 위로 측면 (b) 및 (c) 자기 부상 장치 (d) 상기 장치의 구성 요소가 포함 조망 1) 자기 부상 모듈, 영구 자석, 확대경을 포함하며 는 LED 및 광 확산, 마이크로 컨트롤러, 펌프 드라이버 및 블루투스 수신기를 포함 2) 스마트 폰의 경우, 3) 전자, 4) 마이크로 펌프 홀더, 5) 조정 오리피스, 6) 폐기물 튜브 홀더, 7) 배터리 홀더, 8 ) 샘플 홀더, 9) 겸용 스탠드 커버. (e) 상기 자기장을 통해 시료의 펌핑을 보여주는 개략적 인 흐름. (F)가 필드를 통해 펌핑 서로 다른 밀도의 입자를 정렬하는 방법을 보여주는 자기 부상 모듈의 단면; 이하와 같은 입자 (1)과 같은 고밀도 입자는 높은 부상 높이를 t로 평형화 것같은 입자 (2)와 같은 한 밀도 입자는 등 아민,에서, 허가, 재현. (1) 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
이 시스템의 밀도 분포 분석에 대한 샘플을 이용하기위한 최소 요구 사항은 세포 또는 약 5 μm의보다 크고 약 250 μm의 (영상 및 이미지 처리 용)의 크기보다 작은 입자와의 적합성의 현탁액을 얻을 수있는 능력을 포함 예컨대 여기에 사용 된 바와 같이 상자성 가도 부 트롤 용액의 용액에 혼합. 질병 진단, 대응 애플리케이션은 정상 대조군에 비해 질병을 수행 할 때 본질적으로 변화된 농도를 갖는 (I)의 관심 셀 이들 (II)의 밀도 변화는 시약 또는 일부를 첨가하여 세포를 유도 할 수있다 포함 에 짧은 대체 치료cubation 시간, 또는 (ⅲ) 다른 종류의 세포가 하나의 샘플에서 확인하고 본질적으로 (또는 치료를 통해)되는 고유 한 특성 밀도를 가지고있다.
겸상 적혈구 질환은 일시적인 혈관 확장-폐색 이벤트 및 만성 용혈성 빈혈 (9)을 초래할 수있는 사람의 적혈구 (적혈구)에서 생산되는 헤모글로빈, HBS의 돌연변이 형태를 일으키는 유전 질환이다. 이 헤모글로빈 등전점 매우 정확하지만,이 치료 시점 설정과 호환되기 때문에 임상 실험실에서 수행되어야하며, 고성능 액체 크로마토 그래피 (HPLC) 분획 또는 헤모글로빈 전기 포커싱을 사용하여 진단된다. 겸상 적혈구 질환에 대한 용해도 및 종이 기반의 테스트를 제안하지만, 일반적으로 주관적인 사용자의 해석과 확증 시험을 필요로하고있다. 여기서는 RB보다 더 높은 밀도를 달성하는, 겸상 적혈구를 식별 밀도 기반 방식을 사용겸상 적혈구 질환이없는 사람들 고사. 메커니즘은 탈산 소화 조건 10, 11, 12, 13 세 미만 겸상 적혈구 질환에서 RBC 탈수 발생 헤모글로빈 HBS의 돌연변이 된 형태의 중합을 포함한다.
백혈구 (백혈구) 및 적혈구 (7)이 농도 – 기반 접근법은 밀도에 기초하여 다른 유형의 세포를 분리하기 위해 적용될 수있다. 백혈구는 일반적으로 체내에 감염 싸움에 대한 책임이 있습니다. WBC 계측법은 혈액에서 이들 세포 수를 정량화하는데 사용하는 유용한 진단 도구의 역할을 할 수있다. WBC는 감염, 면역 체계 이상, 또는 백혈병을 표시 할 수있다 (일반적으로 μL 당 이상 11,000 세포로 간주) 정상보다 높은 계산합니다. WBC가 정상 범위 이하로 카운트 (μL 당 3,500 주변 세포)자가 면역 질환 또는 CONDIT에 의해 발생할 수 있습니다이온하는 피해 골수. 다른 기술과는 달리, 여기에 제시된 프로세스는 백혈구를 식별하기 위해 적혈구 나 얼룩의 용해에 의존하지 않는다. WBC의 인구 밀도는 밀도 구배 원심 분리 2, 3을 사용하여 이전에 계산 된 RBC 인구보다 낮은 것으로보고 되었기 때문에,이 셀 기반 시험 분리를 수행하기 위해 두 종류의 세포 고유의 고유 밀도를 이용한다.
1 분 미만을 요구에서 15 분, 및 자동화 된 이미지 분석 – 원격지에서 바꾸는 시험에 비해이 시험은 간단한 시료 준비 (도 3), (10) 내의 장치의 셀 분리으로 빠르다. 이러한 방식으로, 장치는 더 의료 결정 통지 처리 신체적, 정신적 고통을 경감시키기 바로 투여 할 수 있도록하고, associ 합병증의 위험을 최소화하기 위해 신속하게 결과를 반환 할 수있다의료의 지연 ated. 이 기술로 인해 최소한의 사용자 입력 또는 해석 결과를 반환 간단한 샘플 준비 및 자동화 이미징 및 분석 현장 임상 설정에서 어느 수행 할 수 있습니다. 이 때문에 영구 시료 분석을위한 자석 및 스마트 폰 또는 영상과 영상 처리를위한 간단한 전기 소자 중 하나를 사용하여 간단한 방법의 사용으로, 장치뿐만 아니라 당 테스트 비용이 약간 복잡한 테스트 절차에 비해 최소화된다.
Protocol
Representative Results
Discussion
프로토콜 내에서 중요한 단계
이 과정에서 중요한 요소는 자석의 적절한 정렬을 포함한다. 자석 빠질되어 있거나 장치 내에 정상보다 더 분리 된 경우,이 결과에 영향을 미칠 수있다. 이 과정에서 오류 또는 다른 사람을 제어하기 위해, 밀도가 제어 된 입자, 폴리스티렌 미립자와 같이 시간에 따른 변화를 제어하기 위해 주기적 사용될 수있다. 또한, 부상 시간은 세포가 평형에 도달 할 수 있?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors would like to acknowledge Dr. Matthew Heeney of Boston Children’s Hospital/Dana-Farber Cancer Institute and Dr. Farzana Pashankar of Yale-New Haven Hospital for providing sickle cell patient samples. The authors would like to thank Chu H. Yu and Ashwini Joshi for their assistance in testing these samples and compiling the data.
S.T. acknowledges the American Heart Association Scientist Development Grant (15SDG25080056) and the University of Connecticut Research Excellence Program award for financial support of this research. S.K. acknowledges that this material is based upon work supported by the National Science Foundation Graduate Research Fellowship (DGE-1247393).
Materials
| Gadavist (Bayer) | Jefferson Medical and Imaging | 2068062 | Gadavist contains 1M gadobutrol, a chelate of gadolinium. We purchased 2 mL vials with 15/ca. |
| Square glass microcapillary tubes | Vitrocom | 8270 | 50 mm length is sufficient |
| Sodium metabisulfite | Sigma-Aldrich | S9000 | Chemical formula: Na2S2O5 |
| Leica Microsystems Critoseal tube sealant | Fisher Scientific | 02-676-20 | |
| Hank's Balanced Salt Solution | Sigma-Aldrich | H9269 SIGMA | |
| Trypsin-EDTA | Sigma-Aldrich | T4049 | Or other reagent as recommended for the cell type used |
| MICROLET 2 Adjustable Lancing Device | Walgreens | 246567 | Any lancing device is acceptable when used according to biosafety protocols |
| Microlet Lancets | Walgreens | 667474 | Must be dispoable and not reused |
| Hausser Bright-Line Phase Hemacytometer | Fisher Scientific | 02-671-6 | Or any preferred method for cell counting |
| ACK Lysing Buffer | ThermoFisher | A1049201 |
References
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