1. Мурат Бадай
2. Семих Каламак
3. Насиде Гозде Дурмус
4. Рональд В. Дэвис
5. Ларс М. Штайнмец
6. Уткан Демирчи
7. Связанные данные
8. Аннотация
9. Вступление
10. Таблица 1
11. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
12. Измерения образца
13. Левитация красных кровяных клеток (РБК)
14. Левитация белых кровяных клеток (WBC)
15. Эксперименты с живыми белыми кровяными клетками
16. Эксперименты с мертвыми белыми кровяными клетками
17. Анализ изображений
18. Результаты
19. обсуждение
20. БЛАГОДАРНОСТЬ
21. Рекомендации

Маленький . Авторская рукопись; доступно в PMC 2017 1 марта.

Опубликовано в окончательной редакции в виде:

PMCID: PMC4775401

NIHMSID: NIHMS747119

, # 1, # 1,2,3,2,3,4,3,4 и 1, *

Мурат Бадай

1 Канарский центр раннего выявления рака в Стэнфорде, отделение радиологии, медицинский факультет, Стэнфордский университет, Калифорния, США, 94304

Семих Каламак

1 Канарский центр раннего выявления рака в Стэнфорде, отделение радиологии, медицинский факультет, Стэнфордский университет, Калифорния, США, 94304

Насиде Гозде Дурмус

Кафедра биохимии, Медицинский факультет, Стэнфордский университет, Калифорния, США, 94304

3Стэнфордский центр технологий генома, Стэнфордский университет, Калифорния, США, 94304

Рональд В. Дэвис

Кафедра биохимии, Медицинский факультет, Стэнфордский университет, Калифорния, США, 94304

3Стэнфордский центр технологий генома, Стэнфордский университет, Калифорния, США, 94304

4 кафедра генетики, медицинский факультет, Стэнфордский университет, Калифорния, США, 94304

Ларс М. Штайнмец

3Стэнфордский центр технологий генома, Стэнфордский университет, Калифорния, США, 94304

4 кафедра генетики, медицинский факультет, Стэнфордский университет, Калифорния, США, 94304

Уткан Демирчи

1 Канарский центр раннего выявления рака в Стэнфорде, отделение радиологии, медицинский факультет, Стэнфордский университет, Калифорния, США, 94304

1 Канарский центр раннего выявления рака в Стэнфорде, отделение радиологии, медицинский факультет, Стэнфордский университет, Калифорния, США, 94304

Кафедра биохимии, Медицинский факультет, Стэнфордский университет, Калифорния, США, 94304

3Стэнфордский центр технологий генома, Стэнфордский университет, Калифорния, США, 94304

4 кафедра генетики, медицинский факультет, Стэнфордский университет, Калифорния, США, 94304

Распределяется одинаково.

Окончательная редакция этой статьи издателя доступна по адресу Маленький Смотрите другие статьи в PMC, которые цитировать опубликованная статья.

Связанные данные

Дополнительный фильм.

GUID: 376DAFD0-1F9B-4918-8825-03022FDE3D40

Вспомогательная информация.

GUID: AD87B576-ECFF-41AE-9F17-F5898BAFC43D

Аннотация

Возникает потребность в портативных, надежных, недорогих и простых в использовании платформах для диагностики заболеваний и мониторинга прогнозов, позволяющих обмениваться медицинской информацией в местах проживания, в том числе в клинических и домашних условиях. Последние достижения в области цифровых технологий здравоохранения позволили улучшить раннюю диагностику, лечение наркозависимости и персонализированную медицину. Смартфоны с камерами высокого разрешения и высокой мощностью обработки данных позволяют интриговать биомедицинские приложения при интеграции с диагностическими устройствами. Кроме того, эти устройства обладают огромным потенциалом для внесения вклада в общественное здравоохранение в условиях ограниченных ресурсов, где существует особая потребность в портативных, быстрых, не требующих маркировки, простых в использовании и доступных по цене биомедицинских устройствах для диагностики и постоянного мониторинга пациентов на предмет точной медицины. особенно страдающих редкими заболеваниями, такими как серповидноклеточная анемия, талассемия и синдром хронической усталости. Здесь мы представляем систему диагностики на основе магнитной левитации, в которой различные типы клеток (т.е. белые и красные кровяные клетки) левитируют в магнитном градиенте и разделяются из-за их уникальных плотностей. Кроме того, мы представляем простую в использовании систему левитации для смартфонов, предназначенную для анализа клеток. Используя нашу портативную систему магнитной левитации (i-LEV), мы показываем, что белые и красные кровяные клетки могут быть идентифицированы и количество клеток может быть определено количественно без использования каких-либо меток. Кроме того, клетки, поднятые в i-LEV, можно различить при разрешении одной клетки, что потенциально позволяет диагностировать и контролировать, а также применять в клинических и исследовательских целях.

Вступление

Инструменты быстрой диагностики используются во многих областях, включая клиническую и ветеринарную медицину, а также безопасность пищевых продуктов. 1 - 5 , Устройства для оказания медицинской помощи (POC) предоставляют недорогие, быстрые, портативные, без меток, доступные и простые в использовании диагностические решения. 6 - 9 , Кроме того, устройства POC могут применяться для контроля соблюдения и прогрессирования заболевания. Однако большинство систем требуют обширных этапов подготовки образца и маркировки, что ограничивает их использование. Точная медицина подстраивает лечение под профиль пациента, основываясь на его генетических данных. Исследовательские институты и фармацевтические компании все чаще проводят клеточный и молекулярный анализ для достижения более эффективной разработки лекарств и улучшения ранней диагностики. В этом отношении смартфоны с камерами высокого разрешения, высокой вычислительной мощностью, графическими процессорами, хранилищами данных и возможностями подключения используются для различных платформ здравоохранения, включая телемедицину и диагностику POC. 10 - 18 , Количество эритроцитов (RBC) и лейкоцитов (WBC) является критическим диагностическим параметром, оцениваемым в лабораториях патологии. 19 - 28 , В настоящее время гемоцитометрия, подсчет сошников или проточная цитометрия являются наиболее широко используемыми методами для подсчета клеток крови. 29 , Мы сравниваем устройство i-LEV с этими установленными методами. Колтер и проточная цитометрия сложны и дороги, тогда как гемоцитометрия недорога, но трудоемка, трудоемка и непрактична для тестирования POC. Недавно разработанные методы продвинули область, применяя чувствительные и надежные технологии. Тем не менее, недорогой и точный анализатор крови все еще отсутствует для лечения POC.

Таблица 1

Полный анализ крови

ПАРАМЕТРЫ Гемоцитометр 40 поток
Цитометр
(FACS) 29 , 40 Coulter Counter 41 Миниатюрный микрофлюидный
приборы 42 - 44 Функциональность i-LEV Гемоцитометры
подсчитывают клетки
устройства, состоящие из
микрофлюидный
канал с 100 мкм
глубина. Изображения
взят с
обычный
микроскоп. Проточные цитометры
используются для клетки
считая также
в качестве сортировки клеток.
Клетки
приостановлено как
они текут в
поток через
лазерный луч. Счетчик Coulter
предназначен для клетки
считая клетки
приостановлены в
электролиты. Некоторые из этих устройств
используется для подсчета крови и
разделение в микрофлюидном
системы, в том числе электро
осмотический поток, бифуркация,
геометрические препятствия,
акустическая стоячая волна
силы, пористые фильтры,
мембранная фильтрация и
фильтрация поперечного потока. я-LEV используется для
анализ крови
Ширина
полоса крови через
капилляр
измеряется до
определить количество крови
концентрация. Время анализа > 20 минут> 1 час> 1 час> 2 часа 15 минут стабилизации
время и меньше чем
30 секунд
время анализа Маркировка Не требуется Не требуется Не требуется Не требуется Не требуется Стоимость $ 10 Требуется ЛАЗЕР
и обнаружение
система
> $ 10.000> $ 5.000> $ 2.000 $ 1 для камер Сложность, так как подсчет ячеек
выполняется вручную,
это отнимает много времени.
Это не так чувствительно
из-за отбора проб
ошибки. Требует высокого
объем крови.
Реагенты для
предварительная обработка
дорого.
Требуется обучение
для лаборатории
Требуется обширный технический персонал
дизайн и схема
строительство. Это должно быть
калибруется регулярно. Миниатюрная микрофлюидная
устройства требуют
независимый поток жидкости
источник, такой как перистальтика
насос или шприцевой насос,
и не может быть легко
производится в портативном
Платформа. я-LEV состоит из
Магнитная левитация
устройство и
смартфон. Это
требует пальца
укол объем
кровь. Доступность и доставка
может быть использован в
централизованная лаборатория
Настройки выполнены в
установленный
центры, больницы
группа клиник. Обычно выполняется
в установленном
больницы
и клиники доставляем и это можно
используется без необходимости
централизованные больницы или
клиники i-LEV могут предоставить
простая кровь
подсчет тестов
доступны для
широкая публика в
несколько настроек,
в том числе дома
и клинический
Настройки.

В последние годы принципы магнитной левитации использовались для мониторинга и биологической характеристики клеток и клеточных событий. 30 - 35 , Наши ранние исследования показали, что различные типы клеток с различными размерами, вплоть до субмикронного уровня, могут быть выровнены на уникальных высотах с использованием платформ левитации. Здесь мы представляем основанную на смартфоне систему магнитной левитации для идентификации и количественного определения клеток крови без использования меток. Наша система оценивает количество эритроцитов и лейкоцитов в образцах цельной крови, анализируя ширину полосы крови в сильном магнитном поле. Ранее разделение клеток крови без маркировки представляло значительную проблему в клинической диагностике. Используя нашу систему, RBC и WBC могут быть разделены из-за их уникальных сигнатур плотности. Устройство i-LEV представляет собой простое в использовании и легкодоступное POC-решение для подсчета клеток крови, которое можно использовать для мониторинга прогрессирования заболевания и эффективности лекарств в домашних условиях.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Экспериментальная установка

Для сборки системы i-LEV с размерами 160, 100, 205 мм, как показано на рисунке, были использованы куски полиметилметакрилата (ПММА) толщиной 3 мм, вырезанные с помощью лазерного резака (VLS 2.30 Versa Laser). Резьбы с шагом 3 мм были разработаны для размещения вставных деталей для различных применений. Верхний слой системы i-LEV имеет несколько разных версий, которые совместимы со смартфонами разных марок. Высота установки может быть уменьшена вдвое для простых экспериментов, которые не требуют обширных оптических систем и источников света. Полноразмерная система i-LEV может приспособить оборудование для флуоресцентной визуализации, вставив широкополосные светодиоды, а также фильтры возбуждения и излучения. Для построения используются микрокапиллярный канал (сечение 1 мм × 1 мм, длина 50 мм и толщина стенки 0,2 мм), неодимовые магниты класса N52 (NdFeB) (длина 50 мм, ширина 2 мм и высота 5 мм) и боковые зеркала. устройство магнитной левитации ().

Платформа i-LEV для количественного определения клеток и быстрой подготовки образцов

(а) (I) Небольшой объем (30 мкл) образца крови загружают в микрокапилляр, (II) Образец крови загружают в микрокапиллярный канал с использованием капиллярных сил, (III) Микрокапиллярный канал затем герметизируют с помощью Critoseal ™, (IV) Капиллярный канал вводится между двумя постоянными неодимовыми магнитами, одинаковые полюса которых обращены друг к другу. (b) Установка i-LEV включает смартфон, объектив, левитационное устройство, источник света и фильтры.

Устройство для левитации расположено на 3 см ниже смартфона с адаптером для объектива. Телефоны с функциями автофокуса могут регулировать фокальную плоскость, не перемещая образец вверх и вниз. Перед каждым отдельным измерением между магнитами помещают микрокапиллярный канал после обработки плазмы в течение 3 минут при 100 Вт, 0,5 Торр. Два зеркала были размещены под углом 45 °, чтобы пропустить свет через канал левитации, поскольку магниты блокируют прямой входящий свет. Подсветка канала совмещена с камерой смартфона. Изображения сделаны системой камеры смартфона и программным обеспечением. Изображения в моменты времени принимаются по фотографии с высоким разрешением. Видеоизображения снимаются с использованием покадровой программы, которая обеспечивает сбор данных через определенные промежутки времени.

Измерения образца

RBW, WBC и полиэтиленовые шарики были добавлены в PBS, содержащий разные концентрации парамагнитной среды (30 мМ, 60 мМ и 90 мМ Gd +). 30 мкл образца пипетировали в микрокапилляры и канал герметизировали с помощью Critoseal ™. Образцы поднимали в течение 30 мин, пока они не достигли своей равновесной высоты внутри системы. Калибровочные измерения были выполнены для количественной оценки времени стабилизации (). Ширина и высота клеток и шариков были визуализированы и проанализированы с использованием imageJ.

Ширина красных и белых кровяных клеток при разных разведениях и временных точках

(а) Изображения ширины полосы эритроцитов в разные моменты времени показывают изменения ширины полос левитированных ячеек с течением времени. (b) RBC с двумя различными концентрациями (90 и 450 миллионов клеток / мл) анализировали с помощью i-LEV в течение 30 минут. (в) Изображения левитированных эритроцитов в различных концентрациях. (d) Ширина полосы крови показана в зависимости от концентрации эритроцитов. Концентрации эритроцитов варьируются от 250 миллионов клеток / мл до 0,8 миллиона клеток / мл. График линейный в диапазоне концентраций клеток от 50 до 250 миллионов клеток / мл. (e) Изображения левитированного WBC в различных концентрациях. (f) Ширина полосы крови представлена ​​в зависимости от концентрации WBC.

Левитация красных кровяных клеток (РБК)

Образцы крови от здоровых доноров были получены из Центра крови Стэнфордского университета. Цельную кровь разводили в различных соотношениях в PBS, содержащем 30 мМ Gd +. Концентрации были описаны в результатах. Концентрации 450 и 90 миллионов клеток / мл крови были использованы для измерения времени стабилизации крови. Различные корреляции крови, в диапазоне от 250 до 0,8 миллионов клеток / мл были использованы для корреляции ширины полосы крови и концентрации клеток.

Левитация белых кровяных клеток (WBC)

Цельную кровь смешивали с буфером для лизиса эритроцитов в соотношении 1:10. РБК лизировали через 5 минут инкубации, и образцы крови суспендировали при 1,500 об / мин в течение 3 минут. Полученный осадок WBC повторно суспендировали в PBS. Инкрементные концентрации от 1 до 5 миллионов WBC / мл были использованы для корреляции ширины полосы левитации WBC с концентрациями клеток.

Эксперименты с живыми белыми кровяными клетками

WBC метили конъюгированным с антителом против CD45 FITC (1:20 BD Pharmingen) в течение 30 минут. WBC затем дважды промывали PBS и повторно суспендировали в PBS. В конце этого процесса живой WBC и 1000 × RBC суспендировали (50:50) в PBS с 30 мМ Gd + при 1500 об / мин в течение 3 минут. Клетки левитировали в течение 30 минут и визуализировали.

Эксперименты с мертвыми белыми кровяными клетками

После лизиса эритроцитов WBC замораживали в течение ночи при -80 ° C в PBS без криопротективного агента, чтобы убить WBC. После инкубации в течение ночи мертвые клетки WBC окрашивали дигидрохлоридом 4 ', 6-диамидино-2-фенилиндола (DAPI) (1: 1.000 Invitrogen) в течение 15 минут при комнатной температуре. После окрашивания мертвый WBC дважды промывали PBS и повторно суспендировали в PBS. Наконец, мертвый WBC и 1000 × RBC смешивали и суспендировали (50:50) в PBS с 30 мМ Gd + при 1500 об / мин в течение 3 минут. Клетки левитировали в течение 30 минут и визуализировали.

Анализ изображений

Пошаговый анализ изображений RBW проводился с использованием ImageJ. Вкратце, изображение, снятое смартфоном, было загружено в ImageJ. Затем левитированную полосу крови обрезали и фон вычитали. Изображение было преобразовано в 16-битное, а пороговое значение было настроено на настройки «Default-BW». Площадь, центр масс и ограничивающий прямоугольник были измерены. Разделив измеренную площадь на ограничивающий прямоугольник, вы получите среднюю высоту полосы крови. Каждый шаг анализа изображения объясняется более подробно в Дополнительная информация ,

Результаты

Наша портативная платформа для визуализации на основе магнитной левитации, показанная на рисунке, имеет несколько компонентов, в том числе: i. передняя панель с несколькими резьбами для крепления компонентов системы; II. объектив, который расположен прямо за смартфоном, чтобы сфокусировать изображения на камере; III. устройство для левитации с капиллярами, расположенное непосредственно под линзой для изображения ширины полосы левитированных клеток крови, iv; дополнительные компоненты, такие как простые светодиодные источники света и ND-фильтры для улучшения изображения. На передней панели есть сдвижная дверь для блокировки внешнего освещения. Установка была разработана с использованием строительных блоков из полиметилметакрилата (ПММА), изготовленных с помощью лазерного резака. Устройство левитации выполнено из магнитов, зеркал и канала. Два постоянных магнита (длина 50 мм, ширина 2 мм и высота 5 мм) установлены в такой ориентации, что одинаковые полюса обращены друг к другу. Между магнитами можно вставить капиллярный канал (длина 50 мм, поперечное сечение 1 мм × 1 мм, толщина стенки 0,2 мм). Боковые зеркала используются для освещения и наблюдения за каналом левитации. Образцы, добавленные в парамагнитную среду (т. Е. Гадавист), поднимаются внутри среды в положении, в котором сила плавучести и магнитная сила равны. Высота левитации образца рассчитывается на основе.

Первая часть уравнения представляет магнитную силу, приложенную к частице, в то время как вторая часть представляет силу плавучести. Магнитная индукция, гравитационное ускорение, разность объемных плотностей ячеек и среды и проницаемость свободного пространства представлены B, g, ρ и μ0 соответственно. Образцы поднимаются на уникальных высотах, в основном в зависимости от их плотности, независимо от их массы и объема. 36 , 37 , Следовательно, только масса или только объем клеток не имеют решающего значения для левитации, однако их уникальная плотность определяет высоту левитации. Клетки крови могут быть уравновешены в парамагнитной концентрации ниже 100 мМ с индукцией магнитного градиента около 600 Т м -1. 38 Парамагнитная среда влияет на высоту равновесия, так как чем больше концентрация парамагнитной соли увеличивает высоту равновесия. Клетки с той же плотностью, что и у парамагнитной среды, локализованы в середине капиллярного канала, однако клетки с плотностями, отличными от плотности среды, локализованы выше или ниже середины канала, зависит от их плотности. Чтобы продемонстрировать потенциал системы i-LEV для разделения различных видов образцов, RBC и WBC были смешаны в одинаковых концентрациях 5 миллионов клеток / мл и разделены в соответствии с их различными характеристиками левитации (). Те же самые образцы были также получены с помощью регулярной микроскопии, чтобы подтвердить типы клеток, которые левитировали разной высоты (). Наложенные изображения WBC, помеченные CD45, и изображение в светлом поле смешанного образца RBC и WBC четко подтвердили результаты i-LEV (). Кроме того, мы выполнили анализы живых мертвецов с WBC и RBC. Во-первых, WBC были окрашены и заморожены на ночь. Эти мертвые клетки затем добавляли в образцы эритроцитов в равных концентрациях. Система i-LEV показывает только RBC, левитированный в середине канала, тогда как мертвый WBC агрегируется в основании (). Для подтверждения наших результатов мы окрашивали мертвый WBC с помощью DAPI и визуализировали их с помощью флуоресцентной микроскопии. Наложенное изображение светлого поля WBC () и окрашенного DAPI WBC () подтвердило результаты анализа мертвых живых организмов ().

(a) Изображение разделения WBC и RBC, сделанное i-LEV. (б) эритроциты и лейкоциты, поднятые на разные высоты, получают с помощью обычной микроскопии с использованием светлого поля; (в) флуоресцентные изображения CD45, меченного WBC. (d) Перекрытие светлого поля и изображений CD45 для подтверждения разделения WBC и RBC. (e) Анализ живого мертвого RBC и WBC с помощью i-LEV. Живые эритроциты левитируют, в то время как мертвые лейкоциты накапливаются в нижней части капилляров. (f) Светлое поле (g) DAPI помечены и (h) перекрываются изображения WBC с использованием флуоресцентной микроскопии.

Затем мы левитировали и разделяли смесь эритроцитов и лейкоцитов, используя две другие концентрации гадолиния (Gd +), чтобы определить оптимальную концентрацию Gd + для экспериментов по разделению клеток ( Дополнительный рисунок 1 ). Когда мы увеличили концентрацию Gd + (например, 60 и 90 мМ), высота левитации возросла, и стало труднее отличить полосы друг от друга. Наши результаты показывают, что идеальная концентрация Gd + составляет около 30 мМ, так как эта концентрация позволяет оптимальную левитацию при сохранении клетки на достаточном расстоянии от стенок капилляров. В этом состоянии результирующие полосы легко различить.

Затем мы использовали i-LEV для количественной оценки количества эритроцитов в фосфатно-солевом буфере (PBS). Чтобы оценить время уравновешивания, мы сначала выполнили калибровочные измерения в разные моменты времени. Образцы цельной крови, добавленные в PBS в конечной концентрации 450 миллионов клеток / мл, левитировали в течение 30 минут. Образцы визуализировали каждые 3 мин во время левитации ( Дополнительный фильм ), демонстрируя, что клетки уравновешивались на своих уникальных высотах левитации примерно через 15 мин (). Эксперименты с 90 миллионами клеток / мл крови были проведены для проверки времени стабилизации при различных концентрациях. Экспоненциальные постоянные времени для кривых стабилизации составляли 5,8 мин для 450 млн клеток / мл и 3,3 мин для 90 млн клеток / мл. Кривые зависимости концентрации клеток крови от времени показывают, что время уравновешивания для кривых снова составляло 15 мин (). Как и ожидалось, более высокие концентрации клеток крови потребовалось больше времени, чтобы уравновесить. Дальнейшие проверочные эксперименты были выполнены для оценки изменений ширины полосы крови при различных концентрациях. РБК визуализировали с помощью системы i-LEV в концентрациях 250, 125, 63, 50, 25 и 0,8 млн клеток / мл. Каждый образец количественно определяли с использованием гемоцитометра для подтверждения рассчитанных показателей крови. Чтобы оценить концентрации клеток, ширину левитированной полосы крови по каналу измеряли путем деления общей площади крови на ширину освещенной области. При более высоких концентрациях, от 50 до 250 миллионов клеток / мл, кривые зависимости ширины крови от концентрации были линейными с наклоном 0,6 микрометра на миллион клеток / мл. Однако с уменьшением концентрации клеток (т. Е. 0,8 и 25 миллионов клеток / мл) кривые утратили свою линейность (). Для концентраций клеток крови выше 50 миллионов клеток / мл мы наблюдали, что ширина полосы крови во время левитации коррелировала с концентрацией клеток. Мы также визуализировали WBC в различных концентрациях в диапазоне от 1 до 5 миллионов клеток / мл и построили график зависимости концентрации от ширины полосы крови (). Концентрации WBC также линейно коррелировали с шириной полосы крови.

Используя платформу i-LEV, мы обнаружили отдельные ячейки без каких-либо меток. После разбавления концентрации эритроцитов до 100.000 клеток / мл или ниже мы могли бы количественно определить отдельные клетки в освещенной области, используя простые инструменты обработки изображений (). Наконец, мы левитировали полиэтиленовые шарики в капиллярах, чтобы проверить левитационное разрешение платформы и показать ее потенциал для расчета плотности для разных образцов и клеток. Гранулы с различными размерами от 10 до 100 мкм в диаметре с плотностями 1,025 г мл -1, 1,031 г мл -1, 1,044 г мл -1 или 1,064 г мл -1 показали различную высоту левитации в 30 мМ Gd + (). Мы также наблюдали, что шарики с плотностью 1,064 г / мл имели различную высоту левитации при разных концентрациях Gd + (10 мМ, 30 мМ, 60 мМ) ().

(а) Изображение эритроцитов в концентрации 100000 клеток / мл. (б) Одиночные клетки крови обнаруживаются с использованием алгоритмов изображения. (в) Измерение плотности полиэтиленовых шариков на платформе магнитной левитации. Гранулы (10-100 мкм в диаметре) с различной плотностью (1,025 г мл -1, 1,031 г мл -1, 1,044 г мл -1, 1,064 г мл -1) имеют различную высоту левитации в 30 мМ Gd +. (d) Гранулы с плотностью 1,064 г / мл имели различную высоту левитации при различных концентрациях Gd + (10 мМ, 30 мМ, 60 мМ). (д) Линейная аппроксимирующая кривая обеспечивает стандартную функцию для измерения плотности частиц.

обсуждение

Более ранние исследования представили несколько соответствующих биологических приложений для различных систем магнитной левитации. Здесь мы представляем i-LEV, новую платформу, сочетающую магнитную левитацию со смартфоном. Система i-LEV надежно анализирует количество клеток крови, а также может обнаруживать отдельные клетки. Это быстрая, портативная, простая в использовании и доступная платформа, которая использует доступность смартфонов для удовлетворения медицинских потребностей и подсчета как эритроцитов, так и лейкоцитов из необработанной цельной крови. Сегодня обработка крови является клинической процедурой и требует обширных материалов и оборудования, а также квалифицированных специалистов. Следовательно, в настоящее время он не может быть реализован в настройке POC. Однако наша система может проводить анализ крови на дому и облегчать диагностику и мониторинг заболеваний.

Устройство i-LEV также может выполнять флуоресцентную визуализацию, так как установка имеет несколько слотов для вставки флуоресцентных светодиодов, линз, фильтров возбуждения и эмиссионных фильтров (). Несмотря на то, что текущая платформа является статической, ее можно расширить, чтобы включить эксперименты с динамическим потоком и отслеживать влияние лекарств в реальном времени на определенные типы клеток, которые были разделены внутри капилляров. Использование различных методов микрофлюидики в сочетании с системой i-LEV обеспечит среду для новых применений, таких как изучение влияния лекарств на клетки путем мониторинга в режиме реального времени внутри канала левитации, а также скрининг циркулирующих опухолевых клеток. Индивидуальное приложение для смартфона для каждого приложения может повысить производительность и высокую пропускную способность системы i-LEV, что может дать вам считывание сразу после получения изображений. Приложения системы следующего поколения могут включать в себя расширенные тесты, например, для мониторинга циркулирующих клеток крови или серповидноклеточной анемии, особенно в условиях ограниченных ресурсов. Системы левитации, интегрированные в смартфоны, могут обеспечить простые анализы крови для больших групп населения, поскольку смартфоны широко используются во всем мире. По оценкам, во всем мире около 5 миллиардов человек пользуются мобильными телефонами. 39 , В этом отношении интегрированные в смартфоны медицинские технологии, такие как i-LEV, могут потенциально играть важную роль в службах здравоохранения, особенно в развивающихся странах с ограниченными финансовыми и материально-техническими ресурсами.

Результаты теста i-LEV могут анализироваться и оцениваться с помощью приложения, а также могут передаваться поставщикам медицинских услуг через интегрированные облачные платформы (). Портативность, доступность и простота нашей платформы приводят к простой в использовании настройке для анализа крови в домашних условиях, а также в биологических или клинических лабораториях.

Диаграмма показывает, как i-LEV может быть внедрен и способствовать развитию системы здравоохранения.

Подсчет крови может быть выполнен с помощью встроенного мобильного приложения в различных условиях (например, дома или на работе, во время путешествия или отдыха). Мобильное приложение сообщает результаты измерений поставщику медицинских услуг. Медицинский работник анализирует результаты и предоставляет обратную связь через онлайн-систему.

В будущем мы надеемся применить нашу технологию для решения дальнейших медицинских вопросов, используя подход POC для диагностики и мониторинга заболеваний. Например, ранее мы показали, что клетки, инфицированные вирусами, имеют отличные характеристики левитации, что представляет собой еще одно многообещающее применение для системы i-LEV, в очередной раз особенно актуальное для развивающихся стран.

БЛАГОДАРНОСТЬ

Мы благодарим Аллана Джонса за его отзыв во время подготовки этой рукописи. Мы также благодарим доктора Х. Кумхура Текина за помощь в моделировании системы магнитной левитации. UD признает, что этот материал частично основан на работе, поддерживаемой Премией NSF CAREER № 1150733, NIH R01EB015776-01A1 и NIH R21HL112114. LMS и RWD признают, что этот материал частично основан на работе, поддерживаемой NIH P01 HG000205. UD является учредителем и имеет долевое участие в: (i) DxNow Inc., компании, которая разрабатывает микрофлюидальные и визуализирующие технологии для диагностических решений для медицинских учреждений, и (ii) Koek Biotech, компании, которая разрабатывает микрофлюидные технологии ЭКО для клинических решений. Интересы UD были рассмотрены и управляются Бригамской и женской больницами и партнерами HealthCare в соответствии с их политикой в ​​отношении конфликта интересов.

Рекомендации

2. Shafiee H, Asghar W, Inci F, Yuksekkaya M, Jahangir M, Zhang MH, Durmus NG, Gurkan UA, Kuritzkes DR, Demirci U. Sci. Отчет 2015; 5: 8719. [ PMC бесплатная статья ] [ PubMed ] [ Google ученый ] 4. Шафи Х., Сано М.Б., Хенсли Э.А., Колдуэлл Дж.Л., Давалос Р.В. Лаборатория Чип. 2010; 10: 438–445. [ PubMed ] [ Google ученый ] 5. Вэй Ф, Вонг DTW. Подбородок. Дж. Дент. Местожительство Выкл. J. Sci. Секта. Подбородок. Stomatol. Доц. CSA. 2012; 15: 7–15. [ Google ученый ] 11. Смит З.Дж., Чу К., Эспенсон А.Р., Рахимзаде М., Гришук А., Молинаро М., Двайр Д.М., Лейн С., Мэтьюз Д., Вахсманн-Хогиу С. Плос Один. 2011; 6: e17150. [ PMC бесплатная статья ] [ PubMed ] [ Google ученый ] 13. Причабурана П, Гонсалес М.К., Суска А., Филиппини Д. Анжью. Химреагент Int. Ed Engl. 2012; 51: 11585–11588. [ PubMed ] [ Google ученый ] 17. Wang S, Akbas R, Demirci U. Methods Mol. Biol. Клифтон Нью-Джерси. 2015; 1256: 111–121. [ PubMed ] [ Google ученый ] 18. Ван С., Тасоглу С., Чэнь П.З., Чен М., Акбас Р., Вах С., Оздемир С.И., Гуркан У.А., Гигель Ф.Ф., Курицкес Д.Р., Демирчи У. Ш. Отчет 2014; 4: 3796. [ PMC бесплатная статья ] [ PubMed ] [ Google ученый ] 19. Ван Ю.Н., Канг Ю., Сюй Д., Чон К., Барнетт Л., Каламс С. А., Ли Д., Ли Д. Лаб. Чип. 2008; 8: 309-315. [ PubMed ] [ Google ученый ] 20. Briggs C, Harrison P, Machin SJ. Int. J. Lab. Hematol. 2007; 29: 77–91. [ PubMed ] [ Google ученый ] 24. Ymeti A, Li X, Lunter B, Breukers C, Tibbe AGJ, Terstappen LWMM, Greve J. Cytom. Часть J. Int. Soc. Анальный. Cytol. 2007; 71: 132–142. [ Google ученый ] 26. Ванджари Л., Лакшми В., Теджа В.Д., Суббалакшми М.В.С., Чандра Н., Эде Н.П., Гадде М.Дж. Иммунный Дефицит. Syndr. 1999. 2012; 61: с70–71. [ PubMed ] [ Google ученый ] 28. Наваз А.А., Ниссли Р.Х., Ли П., Чэнь Ю., Го Ф., Ли С., Шариф Ю.М., Куреши А.Н., Ван Л, Хуан Т.Дж. Энн. Biomed. Eng. 2014; 42: 2303-2313. [ PubMed ] [ Google ученый ] 29. Ян Й, Чжан З, Ян Х, Йео Дж. Х, Цзян Л, Цзян DJ Биомед. Оптик 2004; 9: 995-1001. [ PubMed ] [ Google ученый ] 32. Мирица К.А., Филлипс С.Т., Мейс К.Р., Whitesides GM. J. Agric. Food Chem. 2010; 58: 6565–6569. [ PubMed ] [ Google ученый ] 33. Мирица К.А., Илиевский Ф., Эллерби А.К., Шевкопляс С.С., Уайтсайдс Г.М. Adv. Mater. Deerfield Beach Fla. 2011; 23: 4134–4140. [ PubMed ] [ Google ученый ] 34. Локетт М.Р., Мирика К.А., Мейс К.Р., Блэкледж Р.Д., Уайтсайдс Г.М. J. Forensic Sci. 2013; 58: 40–45. [ PubMed ] [ Google ученый ] 35. Bwambok DK, Thuo MM, Atkinson MBJ, Mirica KA, Shapiro ND, Whitesides GM. Анальный. Химреагент 2013; 85: 8442–8447. [ PubMed ] [ Google ученый ] 36. Дэвид Р.Р., Inglis WJ Appl. Phys. 2006; 99: 08K101–08K101-3. [ Google ученый ] 37. Ван Ош MJP, Vonken EPA, Viergever MA, Ван дер Гронд J, Bakker CJG. Magn. Резон. Med. Выкл. J. Soc. Magn. Резон. Med. Soc. Magn. Резон. Med. 2003; 49: 1067–1076. [ Google ученый ] 38. Дурмус Н.Г., Текин Х.К., Гувен С., Шридхар К., Арслан Йилдиз А., Калибаси Г., Гиран I, Дэвис Р.В., Штайнмец Л.М., Демирчи У. Учеб. Natl. Акад. Sci. США 2015; 112: E3661–3668. [ PMC бесплатная статья ] [ PubMed ] [ Google ученый ] 39. Källander K, Tibenderana JK, Akpogheneta OJ, Strachan DL, Hill Z, ten Asbroek AHA, Conteh L, Kirkwood BR, Meek SR. J. Med. Интернет Res. 2013; 15: с17. [ PMC бесплатная статья ] [ PubMed ] [ Google ученый ] 40. Рой М., Джин Г., Сео Д., Нам М. Х., Сео С. Хим. 2014; 201 (0): 321–328. [ Google ученый ] 41. Grenvall C, Antfolk C, Bisgaard CZ, Laurell T. Lab. Чип. 2014; 14: 4629–4637. [ PubMed ] [ Google ученый ] 42. Сонджароен Т., Дунгчай В., Чайлапакул О., Генри К.С., Лайваттанапаисал В. Лаб. Чип. 2012; 12: 3392–3398. [ PubMed ] [ Google ученый ] 43. Хейкали Д., Карло Д.Д. J. Assoc. Лаборатория Автом. 2010; 15: 319–328. [ Google ученый ] 44. Хух Д., Гу В., Камотани Й., Гротберг Дж. Б., Такаяма С. Физиол. Meas. 2005; 26: R73–98. [ PubMed ] [ Google ученый ]