Wir möchten Kun Lu und Ronald Kurz, um technische Unterstützung zu danken. Diese Arbeit wurde vom ONR MURI Auszeichnung Nr. unterstützt: N00014-10-1 bis 0072, NSF Grant # SBE-0542013, die zeitliche Dynamik von Learning Center, eine NSF Science of Learning Center und NIH # 2 R01 NS036449-11.

1. Außerhalb der Scanner-Raum <ol><li> Setzen Sie den Rolltisch mit dem freien Ende unterstützt und das äussere Ende der langen Griff gelöst. </li><li> Prüfen Sie, ob der Roboter ausgeschaltet ist. </li><li> Stellen Sie den Roboter in der Tabelle Sockel und befestigen Sie die Aluminium-Sicherheits-Platte über den Roboter mit 2 Schrauben. </li><li> Befestigen Sie das Ende Effektor des Roboters Griff mit Aluminium-Adapter und überprüfen, ob es sich frei bewegt. </li><li> Bringen Sie die 10 &#39;parallel Kabel mit Schirmung aus Aluminium, um den Roboter und überprüfen Sie, dass die Abschirmung intakt ist. Fügen Sie zusätzliche Folie, wenn nötig. </li><li> Legen Sie die Schirmung aus Aluminium-Box über den Roboter zu achten, die parallel und Stromkabel in die Nut auf der Rückseite Platz. </li><li> Sorgfältig auf die Abschirmung box Schraube. </li><li> Pack Aluminiumfolie in das Kabel Nut auf der Abschirmung Box und sicher sein, die Folie in Kontakt mit der Abschirmung auf das parallele Kabel. </li></ol> 2. Umzug in den Scanner Zimmer mit zwei Personen, A und B <ol><li> Bereiten Sie sich darauf ein hohes Magnetfeld-Umgebung, indem Sie alle und alle metallischen Gegenstände wie NE-sein, zum Beispiel Handys, Schlüssel, Münzen, etc. geben .. </li><li> Mit Person A hält das freie Ende des Roboters Tisch und Person B die Stabilisierung der box Ende, rollen Sie es kostenlos Ende zuerst, bis der Roboter gerade in die Tür des Zimmers. </li><li> Person B-Clips mit dem Sicherungsseil angebunden an einen Anker Loch auf der Rückseite der Abschirmung Fall und prüft, ob das andere Ende fest an einer Wand verankern befestigt. </li><li> Gemeinsam rollen die Tabelle in den Raum und verbinden Sie es mit Klettverschlüssen an den Fuß des fMRI-Tabelle. Der Roboter Ende der Tabelle so weit bleiben vom Scanner wie möglich. </li><li> Befestigen des Roboters parallel-Kabel mit dem benutzerdefinierten Filter auf dem Durchlauf durch den Kontrollraum, und stecken Sie den Roboter. Die Abschirmung Folie auf der parallel Kabel sollte Kontakt mit dem Filter zu machen. </li><li> Befestigen Sie den äußeren Teil des langen Griffes (Ende Effektor) und überprüfen Sie, dass es die Bohrung des fMRI sauber eingeben. </li></ol> 3. In der Leitwarte <ol><li> Starten Sie das Control Computer und schließen Sie das 6 &#39;parallele Kabel an den Roboter. Achten Sie darauf, keine zusätzlichen Filter, die auf den inneren Teil des passieren kann, zu entfernen. </li><li> Stellen Sie sicher, dass der Roboter-Motoren ausgeschaltet sind, starten Sie das Phantom Kalibrierroutine und überprüfen, ob die Positionsanzeige der Motoren aus dem Roboter Kalibrierroutine stabil sind. </li><li> Überprüfen Sie das parallele Kabel-Anschluss und dass nur die großen benutzerdefinierten Filter angebracht ist, wenn der Kalibrierung nicht sehen kann, den Roboter oder gibt es große Unterschiede in der Motor-Anzeige. </li><li> Schalten Sie den Roboter durch das Öffnen der Anschluss auf der Rückseite der Abschirmung ein und drücken Sie die Schalter mit einem Stock. </li><li> Starten Sie die Kalibrierungsroutine mit dem Ende Effektor etwa am Ende des konischen Wellenleiter zentriert. Schritt durch die Kalibrierung und Überprüfung, dass die Box Kalibrierung Feld die entsprechende haptische Interaktion hat. </li><li> Befestigen Sie den TTL-Ausgang aus der fMRI (BNC-Stecker) an den LabJack ADC auf dem Steuerrechner. </li></ol> 4. Das Thema <ol><li> Bereiten Sie das Thema für ein hohes Magnetfeld-Umgebung mit dem Standard-fMRI-Protokolle. </li><li> Richten Sie keine zusätzliche Ausrüstung für das Experiment, zB Visualisierung. Wir nutzen die NordicNeuro Lab, Inc. Vision System, die Stereo-Anzeige von Visual Displays bietet, ein Feature, das besonders hilfreich ist bei der Präsentation in virtuellen Umgebungen. </li><li> Nach dem Thema liegt auf dem Tisch und den Kopf Spule befindet, stellen Sie den Abstand des Roboters durch Lösen der Schrauben der Hand und schieben Sie die Spitze der Tabelle, bis das Motiv bequem bewegen kann. </li><li> Führen Sie die Tabelle manuell, indem Sie auf den Roboter Ende, während der fMRT-Tisch bewegt sich in und aus der Bohrung auf die Rollen ein Wackeln zu verhindern. Stellen Sie sicher, das Ende Effektor geht in die Bohrung und nicht auf der Außenseite zu fangen. </li><li> Führen Sie das Experiment. </li></ol> 5. Gliedern Sie die Setup mit zwei Personen A und B <ol><li> Nachdem der Patient verlässt, entfernen Sie das äußere Ende des langen Griff und nehmen Sie das Roboter-Tabelle aus der fMRI-Tabelle durch Lösen der Klettverschluss. </li><li> Von dem Roboter, lösen Sie die geschirmten Parallelkabel und ziehen Sie das Netzkabel. </li><li> Mit Person A hält das freie Ende des Roboters Tisch und Person B die Führung des Roboters Ende, bewegen Sie die Tabelle, um die Tür. An der Tür, lösen Sie die Leine, und rollen Sie den Roboter Tabelle auf den Flur. </li><li> Undo all die Schrauben von der Abschirmung Box und die beiden Schrauben von der Sicherungsplatte und entfernen Sie den Roboter. </li></ol> 6. Repräsentative Ergebnisse: Idealerweise sollte das haptische Roboter-und fMRI nicht gegenseitig beeinflussen. Wir können sagen, online, wenn der Roboter durch die fMRI betroffen sein. Im Allgemeinen, wenn der Roboter parallel Kabel ist nicht ordnungsgemäß abgeschirmt und gefiltert und dann das Auslesen der Motoren wird OszillatorenEnde schnell. Dies kann durch eine doppelte Überprüfung der Aluminium-Abschirmung des Kabels befestigt werden, dass die Eisen-Kern richtig auf das parallele Kabel in der Nähe des Roboters gelegt, und dass der einzige Filter, um den Roboter wird die benutzerdefinierte Filter auf dem Scanner-Raum Seite des Passes durch . Erkennen von Fehlern in der fMRT ist wirklich nur möglich, nachdem die Daten reduziert worden und analysiert, sondern eine anatomische Scan sollte frühzeitig in die Studie aufgenommen und überprüft Reißverschluss Effekte oder andere Artefakte bezeichnend für korrelierte Rauschen (zB Spike Lärm) 7. Häufig kommt eine solche Geräusche von Metall auf Metall Kontakt und kann durch Anziehen aller Schrauben auf der Roboter-Tisch, vor allem die Hand Stellschrauben auf der Seite des Tisches gereinigt werden. Von unseren Tests der Grundlinie fMRI-Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) beträgt ~ 380 und mit dem Roboter völlig in den Raum abgeschirmt, die zu einem noch angemessenen ~ 330 Tropfen. Wenn die Abschirmung nicht an ihrem Platz auf dem Roboter, dann ist die SNR drop weiter auf ~ 250 und Lärmauswirkungen sehr bedeutsam. Wie in 4 gezeigt, hat die 3 Freiheitsgrad Gelenk in der Mitte des Griffs kaum Auswirkungen auf die Dynamik des Roboters / Hand-Interaktion außer es Verschiebung weg von dem Roboter. Das Joint in der Mitte des Griffes wirkt wie ein Drehpunkt und dreht die scheinbare Bewegung in zwei der Richtungen (links-rechts und oben-unten), nicht aber den dritten (forward-back). Seit dem Phantom und die Hand an den entgegengesetzten Enden des Hebels wie umgehen mit seinen Dreh-und Angelpunkt in der Mitte sind, werden Gewinne in der Software in jedem der drei euklidischen Richtungen aufgebracht: negative Gewinne in beiden Richtungen durch das Drehgelenk kontrolliert und eine positive Verstärkung in die Richtung des Läufers Gelenk. Der Nettoeffekt der Griff-und schwenkbar reproduziert das volle 3 Freiheitsgrade der Phantom-Roboter, nur 9 &#39;entfernt. <img src="/files/ftp_upload/3364/3364fig1.jpg" alt="Abbildung 1"/> Abbildung 1: Das Gerät verwendet, um die haptische Roboter für den Einsatz in der fMRI-Umgebung montieren. Top zeigt die haptische Roboter in dem Fall angebracht vor dem Gehäuse (oben, links) und die Aufhängung / Schieber Joint in der Mitte des Griffs (oben, rechts). Unten, links zeigt einen Gegenstand in den Scanner manipulieren den Griff. Unten rechts ist eine Karikatur der Abschirmung und Ende Effektor. <img src="/files/ftp_upload/3364/3364fig2.jpg" alt="Abbildung 2"/> Abbildung 2: Ergebnisse der BIRN Test für die vollständig abgeschirmte Roboter mit Bewegung. Die drei Bilder mit Kreuze zeigen Teile der Kugelkopf-Modell, und unten rechts zeigt eine dreidimensionale Ansicht. Die kleinen Punkte sind Blasen im statischen Modell und sind immer vorhanden. Das Fehlen von großen Streifen oder Reißverschlüsse zeigt an, dass der Lärm von der Roboter unkorreliert ist.

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	<li>Ogawa, S., Lee, T. M., Kay, A. R., Tank, D. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Brain+magnetic+resonance+imaging+with+contrast+dependent+on+blood+oxygenation.">Brain magnetic resonance imaging with contrast dependent on blood oxygenation.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 87, 9868-9872 (1990).</li><li>Heeger, D. J., Ress, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=What+does+fMRI+tell+us+about+neuronal+activity.">What does fMRI tell us about neuronal activity.</a> Nat. Rev. Neurosci. 3, 142-151 (2002).</li><li>deCharms, R. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Applications+of+real-time+fMRI.">Applications of real-time fMRI.</a> Nat. Rev. Neurosci. 9, 720-729 (2008).</li><li>Hribar, A., Koritnik, B., Munih, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phantom+haptic+device+upgrade+for+use+in+fMRI.">Phantom haptic device upgrade for use in fMRI.</a> Medical and Biological Engineering and Computing. 47, 677-684 (2009).</li><li>Trommershauser, J., Gepshtein, S., Maloney, L. T., Landy, M. S., Banks, M. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optimal+compensation+for+changes+in+task-relevant+movement+variability.">Optimal compensation for changes in task-relevant movement variability.</a> J. Neurosci. 25, 7169-7178 (2005).</li><li>Konczak, J., Li, K. Y., Tuite, P. J., Poizner, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Haptic+perception+of+object+curvature+in+Parkinson's+disease.">Haptic perception of object curvature in Parkinson's disease.</a> PLoS ONE. 3, e2625-e2625 (2008).</li><li>Lipton, M. L., Lipton, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Artifacts:+When+things+go+wrong,+it's+not+necessarily+all+bad.">Artifacts: When things go wrong, it's not necessarily all bad.</a> Totally Accessible MRI. , 139-153 (2008).</li><li>Rajh, M., Glodez, S., Flasker, J., Gotlih, K., Kostanjevec, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+and+analysis+of+an+fMRI+compatible+haptic+robot.">Design and analysis of an fMRI compatible haptic robot.</a> Robotics and Computer-Integrated Manufacturing. 27, 267-275 (2011).</li><li>Burdet, E., Gassert, R., Gowrishankar, G., Chapuis, D., Bleuler, H., Ang, M., Khatib, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=fMRI+compatible+haptic+interfaces+to+investigate+human+motor+control.">fMRI compatible haptic interfaces to investigate human motor control.</a> Experimental Robotics IX, of Springer Tracts in Advanced Robotics. 21, 25-34 (2006).</li><li>Nakamura, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functional+networks+in+motor+sequence+learning:+abnormal+topographies+in+Parkinson's+disease.">Functional networks in motor sequence learning: abnormal topographies in Parkinson's disease.</a> Hum Brain Mapp. 12, 42-60 (2001).</li></ol>

Keine Interessenskonflikte erklärt.

Die fMRI kompatibel Roboter eröffnet neue Möglichkeiten für Experimente in der Neurowissenschaft der Motorsteuerung. Der wichtigste Schritt in der Einrichtung ist die Abschirmung des Roboters zu Artefakten in der fMRI, die wir in zwei Schritten zu verhindern. Zunächst wird der Roboter selbst über 9 &#39;weg von der Bohrung mit einem langen, leicht, Griff in der Mitte mit einem 3-Freiheitsgrad gemeinsame unterstützt. Zweitens ist der Roboter in einer 1 / 16 &quot;-1 / 4&quot; Alu-Box mit einer Kunststoff-konische (...

<table border="1"><tbody><tr><td> Phantom Premium 1.5/6dof, hohe Kraft-Modell </td><td> Sensable </td><td> <a href="www.sensable.com">www.sensable.com</a> </td></tr></tbody></table>

adaptation of a haptic robot in a 3t fmri

Funktionelle Kernspintomographie (fMRI) bietet eine hervorragende funktionelle Bildgebung des Gehirns über die BOLD-Signal 1 mit Vorteilen, einschließlich nicht-ionisierender Strahlung, Millimeter räumliche Genauigkeit der anatomischen und funktionellen Daten 2, und fast in Echtzeit analysiert 3. Haptic Roboter sorgen für eine präzise Messung und Steuerung von Position und Kraft eines Cursors in einer recht engen Raum. Hier kombinieren wir diese beiden Technologien, um Präzision Experimente mit Motorsteuerung mit haptischen / taktile Umwelt-Interaktion wie das Erreichen oder Greifen zu ermöglichen. Die Grundidee ist es, ein 8-Fuß-Ende Effektor in der Mitte der Roboter 4 erlaubt das Thema, um den Roboter verwenden, nicht unterstützt anhängen, aber es Abschirmung und halten Sie sie aus dem äußersten Teil des Magnetfeldes aus der fMRI-Maschine (Abbildung 1 ). Das Phantom Premium 3.0, 6DoF, High-Kraft-Roboter (SensAble Technologies, Inc.) ist eine ausgezeichnete Wahl für die Bereitstellung von Force-Feedback in der virtuellen Realität Versuchen 5, 6, aber es ist von Natur aus nicht-MR Safe, stellt erhebliche Geräusche an den empfindlichen fMRI Ausrüstung und ihre Elektromotoren können durch die fMRT ist stark variierenden Magnetfeld beeinflusst werden. Wir haben einen Tisch und Schirm-System, das den Roboter sicher in die fMRI-Umgebung eingeführt werden können und die Grenzen sowohl der Abbau des fMRI-Signals durch die elektrisch verrauschten Motoren und den Abbau des Elektromotors Leistung durch die stark variierenden Magnetfeld der konstruierten fMRI. Mit dem Schild, das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR: mittlere Signal / Rausch-Standardabweichung) geht der fMRI von einem Ausgangswert von ~ 380 bis ~ 330 und ~ 250 ohne Abschirmung. Die restlichen Lärm scheint unkorreliert und fügt keine Artefakte, die fMRI eines Tests Kugel (Abbildung 2). Die langen, steifen Griff ermöglicht die Platzierung des Roboters außerhalb der Reichweite der meisten stark variierende Teile des Magnetfeldes, so gibt es keinen signifikanten Effekt der fMRI am Roboter. Die Wirkung der Griff an der Roboter-Kinematik ist minimal, da es leicht (~ 2,6 lbs), aber extrem steif 3 / 4 &quot;Graphit und ausgewogen über die 3DoF Gelenk in der Mitte. Das Endergebnis ist ein fMRI-kompatibel, haptische System mit etwa 1 Kubikfuß Arbeitsraum, und, wenn sie mit der virtuellen Realität ermöglicht in Kombination für eine neue Reihe von Experimenten in der fMRI-Umgebung einschließlich naturalistischen erreichen, passive Verschiebung des Körpers oder der haptischen Wahrnehmung, Anpassung Lernen in unterschiedlichen Kraftfelder durchgeführt werden oder Textur Identifizierung 5, 6.

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Adaptation of a Haptic Robot in a 3T fMRI

Die Anpassung und Nutzung eines haptischen Roboter in einem 3T fMRT beschrieben.

Anpassung eines Haptic Robot in einem 3T fMRT

Functional magnetic resonance imaging (fMRI) provides excellent functional brain imaging via the BOLD signal 1 with advantages including non-ionizing ...

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Research

JoVE Journal

Bioengineering

9.6K Aufrufe.  University of California. Die Anpassung und Nutzung eines haptischen Roboter in einem 3T fMRT beschrieben.

Serie: Adaptation of a Haptic Robot in a 3T fMRI

Fabrication of Electrochemical-DNA Biosensors for the Reagentless Detection of Nucleic Acids, Proteins and Small Molecules

As medicine is currently practiced, doctors send specimens to a central laboratory for testing and thus must wait hours or days to 
receive the results. Many patients would be better served by rapid, bedside tests. To this end our laboratory and others have developed a versatile, reagentless 
biosensor platform that supports the quantitative, reagentless, electrochemical detection of nucleic acids (DNA, RNA), proteins (including antibodies) and small 
molecules analytes directly in unprocessed clinical and environmental samples. In this video, we demonstrate the preparation and use of several biosensors in this 
"E-DNA" class. In particular, we fabricate and demonstrate sensors for the detection of a target DNA sequence in a polymerase chain reaction mixture, an HIV-specific antibody and the drug cocaine. The preparation procedure requires only three hours of hands-on effort followed by an overnight incubation, and their use requires only minutes.

"E-DNA" sensors, reagentless, electrochemical biosensors that perform well even when challenged directly in blood and other complex matrices, have been adapted to the detection of a wide range of nucleic acid, protein and small molecule analytes. Here we present a general procedure for the fabrication and use of such sensors.

Herstellung von elektrochemischen DNA Biosensoren für die Reagenzienfreier Nachweis von Nukleinsäuren, Proteinen und kleinen Molekülen

As medicine is currently practiced, doctors send specimens to a central laboratory for testing and thus must wait hours or days to 
receive the results. ...

Forschung

Biotechnik

Haptic/Graphic Rehabilitation: Integrating a Robot into a Virtual Environment Library and Applying it to Stroke Therapy

Recent research that tests interactive devices for prolonged therapy practice has revealed new prospects for robotics combined with graphical and other forms of biofeedback. Previous human-robot interactive systems have required different software commands to be implemented for each robot leading to unnecessary developmental overhead time each time a new system becomes available. For example, when a haptic/graphic virtual reality environment has been coded for one specific robot to provide haptic feedback, that specific robot would not be able to be traded for another robot without recoding the program. However, recent efforts in the open source community have proposed a wrapper class approach that can elicit nearly identical responses regardless of the robot used. The result can lead researchers across the globe to perform similar experiments using shared code. Therefore modular "switching out"of one robot for another would not affect development time. In this paper, we outline the successful creation and implementation of a wrapper class for one robot into the open-source H3DAPI, which integrates the software commands most commonly used by all robots.

Recently, a vast amount of prospects have come available for human-robot interactive systems. In this paper we outline the integration of a new robotic device with open source software that can rapidly make possible a library of interactive functionality. We then outline a clinical application for a neurorehabilitation application.

Haptische / Graphic Rehabilitation: Integration eines Roboters in einer virtuellen Umgebung Bibliothek und ihre Anwendung auf die Therapie von Schlaganfällen

Recent research that tests interactive devices for prolonged therapy practice has revealed new prospects for robotics combined with graphical and other ...

Creating Two-Dimensional Patterned Substrates for Protein and Cell Confinement

Microcontact printing provides a rapid, highly reproducible method for the creation of well-defined patterned substrates.1 While microcontact printing can be employed to directly print a large number of molecules, including proteins,2 DNA,3 and silanes,4 the formation of self-assembled monolayers (SAMs) from long chain alkane thiols on gold provides a simple way to confine proteins and cells to specific patterns containing adhesive and resistant regions. This confinement can be used to control cell morphology and is useful for examining a variety of questions in protein and cell biology. Here, we describe a general method for the creation of well-defined protein patterns for cellular studies.5 This process involves three steps: the production of a patterned master using photolithography, the creation of a PDMS stamp, and microcontact printing of a gold-coated substrate. Once patterned, these cell culture substrates are capable of confining proteins and/or cells (primary cells or cell lines) to the pattern.
The use of self-assembled monolayer chemistry allows for precise control over the patterned protein/cell adhesive regions and non-adhesive regions; this cannot be achieved using direct protein stamping. Hexadecanethiol, the long chain alkane thiol used in the microcontact printing step, produces a hydrophobic surface that readily adsorbs protein from solution. The glycol-terminated thiol, used for backfilling the non-printed regions of the substrate, creates a monolayer that is resistant to protein adsorption and therefore cell growth.6 These thiol monomers produce highly structured monolayers that precisely define regions of the substrate that can support protein adsorption and cell growth. As a result, these substrates are useful for a wide variety of applications from the study of intercellular behavior7 to the creation of microelectronics.8
While other types of monolayer chemistry have been used for cell culture studies, including work from our group using trichlorosilanes to create patterns directly on glass substrates,9 patterned monolayers formed from alkane thiols on gold are straight-forward to prepare. Moreover, the monomers used for monolayer preparation are commercially available, stable, and do not require storage or handling under inert atmosphere. Patterned substrates prepared from alkane thiols can also be recycled and reused several times, maintaining cell confinement.10

Self-assembled monolayers (SAMs) formed from long chain alkane thiols on gold provide well-defined substrates for the formation of protein patterns and cell confinement. Microcontact printing of hexadecanethiol using a polydimethylsiloxane (PDMS) stamp followed by backfilling with a glycol-terminated alkane thiol monomer produces a pattern where protein and cells adsorb only to the stamped hexadecanethiol region.

Erstellen Zweidimensionale Patterned Substrate für Protein-und Zell-Confinement

Microcontact printing provides a rapid, highly reproducible method for the creation of well-defined patterned substrates.1  While microcontact printing ...

Cellular Lipid Extraction for Targeted Stable Isotope Dilution Liquid Chromatography-Mass Spectrometry Analysis

The metabolism of fatty acids, such as arachidonic acid (AA) and linoleic acid (LA), results in the formation of oxidized bioactive lipids, including numerous stereoisomers1,2. These metabolites can be formed from free or esterified fatty acids. Many of these oxidized metabolites have biological activity and have been implicated in various diseases including cardiovascular and neurodegenerative diseases, asthma, and cancer3-7. Oxidized bioactive lipids can be formed enzymatically or by reactive oxygen species (ROS). Enzymes that metabolize fatty acids include cyclooxygenase (COX), lipoxygenase (LO), and cytochromes P450 (CYPs)1,8. Enzymatic metabolism results in enantioselective formation whereas ROS oxidation results in the racemic formation of products.
While this protocol focuses primarily on the analysis of AA- and some LA-derived bioactive metabolites; it could be easily applied to metabolites of other fatty acids. Bioactive lipids are extracted from cell lysate or media using liquid-liquid (l-l) extraction. At the beginning of the l-l extraction process, stable isotope internal standards are added to account for errors during sample preparation. Stable isotope dilution (SID) also accounts for any differences, such as ion suppression, that metabolites may experience during the mass spectrometry (MS) analysis9. After the extraction, derivatization with an electron capture (EC) reagent, pentafluorylbenzyl bromide (PFB) is employed to increase detection sensitivity10,11. Multiple reaction monitoring (MRM) is used to increase the selectivity of the MS analysis. Before MS analysis, lipids are separated using chiral normal phase high performance liquid chromatography (HPLC). The HPLC conditions are optimized to separate the enantiomers and various stereoisomers of the monitored lipids12. This specific LC-MS method monitors prostaglandins (PGs), isoprostanes (isoPs), hydroxyeicosatetraenoic acids (HETEs), hydroxyoctadecadienoic acids (HODEs), oxoeicosatetraenoic acids (oxoETEs) and oxooctadecadienoic acids (oxoODEs); however, the HPLC and MS parameters can be optimized to include any fatty acid metabolites13.
Most of the currently available bioanalytical methods do not take into account the separate quantification of enantiomers. This is extremely important when trying to deduce whether or not the metabolites were formed enzymatically or by ROS. Additionally, the ratios of the enantiomers may provide evidence for a specific enzymatic pathway of formation. The use of SID allows for accurate quantification of metabolites and accounts for any sample loss during preparation as well as the differences experienced during ionization. Using the PFB electron capture reagent increases the sensitivity of detection by two orders of magnitude over conventional APCI methods. Overall, this method, SID-LC-EC-atmospheric pressure chemical ionization APCI-MRM/MS, is one of the most sensitive, selective, and accurate methods of quantification for bioactive lipids.

This protocol will demonstrate the extraction and analysis of free and esterified bioactive fatty acids from cells. Fatty acids are accurately quantified using stable isotope dilution, chiral liquid chromatography, electron capture atmospheric chemical ionization multiple reaction monitoring mass spectrometry (SID-LC-ECAPCI-MRM/MS).

Cellular Lipidextraktion für Targeted Stable Isotope Dilution Flüssigchromatographie-Massenspektrometrie-Analyse

The metabolism of fatty acids, such as arachidonic acid (AA) and linoleic acid (LA), results in the formation of oxidized bioactive lipids, including ...

Designing a Bio-responsive Robot from DNA Origami

Nucleic acids are astonishingly versatile. In addition to their natural role as storage medium for biological information1, they can be utilized in parallel computing2,3 , recognize and bind molecular or cellular targets4,5 , catalyze chemical reactions6,7 , and generate calculated responses in a biological system8,9. Importantly, nucleic acids can be programmed to self-assemble into 2D and 3D structures10-12, enabling the integration of all these remarkable features in a single robot linking the sensing of biological cues to a preset response in order to exert a desired effect.
Creating shapes from nucleic acids was first proposed by Seeman13, and several variations on this theme have since been realized using various techniques11,12,14,15 . However, the most significant is perhaps the one proposed by Rothemund, termed scaffolded DNA origami16. In this technique, the folding of a long (&gt;7,000 bases) single-stranded DNA 'scaffold' is directed to a desired shape by hundreds of short complementary strands termed 'staples'. Folding is carried out by temperature annealing ramp. This technique was successfully demonstrated in the creation of a diverse array of 2D shapes with remarkable precision and robustness. DNA origami was later extended to 3D as well17,18 .
 
The current paper will focus on the caDNAno 2.0 software19 developed by Douglas and colleagues. caDNAno is a robust, user-friendly CAD tool enabling the design of 2D and 3D DNA origami shapes with versatile features. The design process relies on a systematic and accurate abstraction scheme for DNA structures, making it relatively straightforward and efficient.
In this paper we demonstrate the design of a DNA origami nanorobot that has been recently described20. This robot is 'robotic' in the sense that it links sensing to actuation, in order to perform a task. We explain how various sensing schemes can be integrated into the structure, and how this can be relayed to a desired effect. Finally we use Cando21 to simulate the mechanical properties of the designed shape. The concept we discuss can be adapted to multiple tasks and settings.

DNA origami is a powerful method for fabricating precise nanoscale objects by programming the self-assembly of DNA molecules. Here, we describe how DNA origami can be utilized to design a robotic robot capable of sensing biological cues and responding by shape shifting, subsequently relayed to a desired effect.

Entwerfen einer Bio-responsive Robot von DNA Origami

Nucleic acids are astonishingly versatile. In addition to their natural role as storage medium for biological information1, they can be utilized in ...

Medical-grade Sterilizable Target for Fluid-immersed Fetoscope Optical Distortion Calibration

We have developed a calibration target for use with fluid-immersed endoscopes within the context of the GIFT-Surg (Guided Instrumentation for Fetal Therapy and Surgery) project. One of the aims of this project is to engineer novel, real-time image processing methods for intra-operative use in the treatment of congenital birth defects, such as spina bifida and the twin-to-twin transfusion syndrome. The developed target allows for the sterility-preserving optical distortion calibration of endoscopes within a few minutes. Good optical distortion calibration and compensation are important for mitigating undesirable effects like radial distortions, which not only hamper accurate imaging using existing endoscopic technology during fetal surgery, but also make acquired images less suitable for potentially very useful image computing applications, like real-time mosaicing. In this paper proposes a novel fabrication method to create an affordable, sterilizable calibration target suitable for use in a clinical setup. This method involves etching a calibration pattern by laser cutting a sandblasted stainless steel sheet. This target was validated using the camera calibration module provided by OpenCV, a state-of-the-art software library popular in the computer vision community.

This article describes the design and development of a sterilizable custom camera optical distortion calibration target for the peri-operative, fluid-immersed calibration of endoscopes during endoscopic interventions.

Medical-Grade-sterilisierbar Ziel für Flüssig-getaucht fetoscope Optische Verzerrung Kalibrierung

We have developed a calibration target for use with fluid-immersed endoscopes within the context of the GIFT-Surg (Guided Instrumentation for Fetal ...

Optimizing the Use of a Liquid Handling Robot to Conduct a High Throughput Forward Chemical Genetics Screen of Arabidopsis thaliana

Chemical genetics is increasingly being employed to decode traits in plants that may be recalcitrant to traditional genetics due to gene redundancy or lethality. However, the probability of a synthetic small molecule being bioactive is low; therefore, thousands of molecules must be tested in order to find those of interest. Liquid handling robotics systems are designed to handle large numbers of samples, increasing the speed with which a chemical library can be screened in addition to minimizing/standardizing error. To achieve a high-throughput forward chemical genetics screen of a library of 50,000 small molecules on Arabidopsis thaliana (Arabidopsis), protocols using a bench-top multichannel liquid handling robot were developed that require minimal technician involvement. With these protocols, 3,271 small molecules were discovered that caused visible phenotypic alterations. 1,563 compounds induced short roots, 1,148 compounds altered coloration, 383 compounds caused root hair and other, non-categorized, alterations, and 177 compounds inhibited germination.

Optimizing the Use of a Liquid Handling Robot to Conduct a High Throughput Forward Chemical Genetics Screen of Arabidopsis thaliana

A high throughput screen of synthetic small molecules was conducted on the model plant species, Arabidopsis thaliana. This protocol, developed for a liquid handling robot, increases the speed of forward chemical genetics screens, accelerating the discovery of novel small molecules affecting plant physiology.

Optimierung der Nutzung eines Liquid Handling Roboters, einen hohen Durchsatz nach vorn Chemische Genetik Bildschirm von Arabidopsis Thaliana durchzuführen

Chemical genetics is increasingly being employed to decode traits in plants that may be recalcitrant to traditional genetics due to gene redundancy or ...

Decellularization of Whole Human Heart Inside a Pressurized Pouch in an Inverted Orientation

The ultimate solution for patients with end-stage heart failure is organ transplant. But donor hearts are limited, immunosuppression is required, and ultimately rejection can occur. Creating a functional, autologous bio-artificial heart could solve these challenges. Biofabrication of a heart comprised of scaffold and cells is one option. A natural scaffold with tissue-specific composition as well as micro- and macro-architecture can be obtained by decellularizing hearts from humans or large animals such as pigs. Decellularization involves washing out cellular debris while preserving 3D extracellular matrix and vasculature and allowing &#34;cellularization&#34; at a later timepoint. Capitalizing on our novel finding that perfusion decellularization of complex organs is possible, we developed a more &#34;physiological&#34; method to decellularize non-transplantable human hearts by placing them inside a pressurized pouch, in an inverted orientation, under controlled pressure. The purpose of using a pressurized pouch is to create pressure gradients across the aortic valve to keep it closed and improve myocardial perfusion. Simultaneous assessment of flow dynamics and cellular debris removal during decellularization allowed us to monitor both fluid inflow and debris outflow, thereby generating a scaffold that can be used either for simple cardiac repair (e.g. as a patch or valve scaffold) or as a whole-organ scaffold.

This method enables decellularization of a complex solid organ using a simple protocol based on osmotic shock and perfusion of ionic detergent with minimal organ matrix disruption. It comprises a novel decellularization technique for human hearts inside a pressurized pouch with real-time monitoring of flow dynamics and cellular debris outflow.

Decellularization des ganzen menschlichen Herz in einem unter Druck stehenden Beutel in eine umgekehrte Orientierung

The ultimate solution for patients with end-stage heart failure is organ transplant. But donor hearts are limited, immunosuppression is required, and ...

A Tripeptide-Stabilized Nanoemulsion of Oleic Acid

We describe a method to produce a nanoemulsion composed of an oleic acids-Pt(II) core and a lysine-tyrosine-phenylalanine (KYF) coating (KYF-Pt-NE). The KYF-Pt-NE encapsulates Pt(II) at 10 wt. %, has a diameter of 107 &#177; 27 nm and a negative surface charge. The KYF-Pt-NE is stable in water and in serum, and is biologically active. The conjugation of a fluorophore to KYF allows the synthesis of a fluorescent nanoemulsion that is suitable for biological imaging. The synthesis of the nanoemulsion is performed in an aqueous environment, and the KYF-Pt-NE forms via self-assembly of a short KYF peptide and an oleic acids-platinum(II) conjugate. The self-assembly process depends on the temperature of the solution, the molar ratio of the substrates, and the flow rate of the substrate addition. Crucial steps include maintaining the optimal stirring rate during the synthesis, permitting sufficient time for self-assembly, and pre-concentrating the nanoemulsion gradually in a centrifugal concentrator.

This protocol describes an efficient method to synthesize a nanoemulsion of an oleic acids-platinum(II) conjugate stabilized with a lysine-tyrosine-phenylalanine (KYF) tripeptide. The nanoemulsion forms under mild synthetic conditions via self-assembly of the KYF and the conjugate.

Ein Tripeptid-stabilisierten Nanoemulsion Ölsäure

We describe a method to produce a nanoemulsion composed of an oleic acids-Pt(II) core and a lysine-tyrosine-phenylalanine (KYF) coating (KYF-Pt-NE). The ...

Isokinetic Robotic Device to Improve Test-Retest and Inter-Rater Reliability for Stretch Reflex Measurements in Stroke Patients with Spasticity

Measuring spasticity is important in treatment planning and determining efficacy after treatment. However, the current tool used in clinical settings has been shown to be limited in inter-rater reliability. One factor in this poor inter-rater reliability is the variability of passive motion while measuring the angle of catch (AoC) measurements. Therefore, an isokinetic device has been proposed to standardize the manual joint motion; however, the benefits of isokinetic motion for AoC measurements has not been tested in a standardized manner. This protocol investigates whether isokinetic motion itself can improve inter-rater reliability for AoC measurements. For this purpose, a robotic isokinetic device was developed that is combined with surface electromyography (EMG). Two conditions, manual and isokinetic motions, are compared with the standardized method to measure the angle and subjective feeling of catch. It is shown that in 17 stroke patients with mild elbow flexor spasticity, isokinetic motion improved the intraclass correlation coefficient (ICC) for inter-rater reliability of AoC measurements to 0.890 [95% confidence interval (CI): 0.685&#8211;0.961] by the EMG criteria, and 0.931 (95% CI: 0.791&#8211;0.978) by the torque criteria, from 0.788 (95% CI: 0.493&#8211;0.920) by manual motion. In conclusion, isokinetic motion itself can improve inter-rater reliability of AoC measurements in stroke patients with mild spasticity. Given that this system may provide greater standardized angle measurements and catch of feeling, it may be a good option for the evaluation of spasticity in a clinical setting.

Using a robotic isokinetic device with electromyography (EMG) measurements, this protocol illustrates that isokinetic motion itself can improve inter-rater reliability for the angle of catch measurements in stroke patients with mild elbow flexor spasticity.

Isokinetic Robotic Device zur Verbesserung der Test-Retest und Inter-Rater Zuverlässigkeit für Stretch Reflex Messungen bei Schlaganfall-Patienten mit Spastik

Measuring spasticity is important in treatment planning and determining efficacy after treatment. However, the current tool used in clinical settings has ...