Name: magnetic levitation coupled with portable imaging and analysis for disease diagnostics
Uploaded: 2017-02-19T15:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 42 s
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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).

倫理文：ヒトの血液サンプルを含むすべての手順は、制度の規制に従って実施しました。すべてのプロトコルを見直し、治験審査委員会によって承認されました。インフォームドコンセントは、全ての参加者によって与えられました。 鎌状赤血球症の診断5、8 1.試料の調製<ol><li>ハンクス平衡塩溶液（HBSS）でガドブトロールの50 mM溶液を準備します。 </li><li>ガドリニウム溶液中10mMのメタ重亜硫酸ナトリウムを溶解します。 注：メタ重亜硫酸ナトリウムは、吸入による毒性が強く、皮膚や組織を刺激します。水と混合した場合には、腐食性の酸です。これは、高温に加熱すると、硫黄及びナトリウムの有毒な酸化ガスを排出するために分解してもよいです。 </li><li> 指先または静脈穿刺のいずれかを介して血液サンプルを入手します。 <ol><li>クリーンな、使い捨てのランセットで穿刺装置を用いて血液を描画します。 APプライピアスサイト付近の圧力と3〜4回ピペットを用いて血液を採取する前に形成された血液滴を拭いてください。世話をしていない、これは組織液と試料の汚染につながるよう、組織を圧迫することにより、「ミルク」指をします。 </li><li>代わりに、標準的な静脈穿刺手順14を用いて血液を描画します。 注：サンプルは数時間以上保存される場合は、EDTAなどの抗凝固剤とバキュテナーに血液を集めます。 </li></ol></li><li>ガドリニウムメタ重亜硫酸ナトリウム溶液100μlに血液の1未満μLを追加します。 </li></ol> WBCサイトメトリー7 2.サンプル調製<ol><li>セクション1のように、指先または静脈穿刺のいずれかを介して血液サンプルを入手します。 </li><li>オプション：RBC溶解バッファーとを溶解赤血球。ピペット5 RBC溶解緩衝液500μLへの血液のμLと3室温でインキュベート - 5分。 注意：これは、白血球の単離された集団の浮上範囲を確認するために行われてもよいです。ここに提示した結果は、赤血球は白血球よりも明らかに低い位置に浮揚することを実証しかし、このステップを実行する必要はありません。 </li><li> HBSS中の25mMのGd 1,000：全血1に希釈します 注：1溶解サンプル：250mMのGdを25 mMののGdを含む試料を得るために、細胞溶解を行った場合には、溶解サンプル9を希釈。 </li></ol>磁気浮上プラットフォーム4、5、6、7、8を用いて試料の3分析<ol><li> 磁気浮上装置を起動します。 <ol><li>自己完結型のデバイスの場合、デバイスを接続し、それがパワーアップし、平らな、水平な面に配置することができます。 </li><li>スマートフォンと互換性のあるバージョンについては、スマートフォンのアプリケーションを起動し、画像を入力するために、左にスワイプキャプチャモード、およびフラット、レベルの表面上の場所。 </li></ol></li><li> 静磁気浮上のために： <ol><li>溶液に終わりを浸漬し、毛細管現象を介してキャピラリを埋めるために、サンプルを可能にすることにより、角のガラスマイクロキャピラリーチューブに調製した試料をロードします。 </li><li>ゆっくり一端材料へのキャピラリを押すことによって、チューブシーラントと端をシールします。 </li><li>チューブのわずか1センチ表示されたままとなるよう磁気浮上装置の磁石の間の毛細管を挿入します（図試料調製のために、図3を参照してください）。 注：この手順はスマートフォンと互換性と自己完結型デバイスの両方で同じままです。 </li><li>デバイスまたはキャピラリーを乱すことなく10分を待ちます。 </li></ol></li><li> 流れアシスト磁気浮上のために： <ol><li>サンプル管にサンプルをロードします。 </li><li>試料容器とMI間の入口チューブを接続crocapillaryとマイクロキャピラリーと廃棄物容器の間の出口チューブを接続します。 </li><li> LED輝度と流れパラメータを設定します。 </li></ol></li><li>その後、（自己完結型のデバイスとスマートフォンのアプリケーションの画面の下部にあるカメラボタンにボタン3）画像をキャプチャするキャプチャボタンを押して、細胞が視野内に表示されていることを確認してください。 注：USBは、画像を格納するために使用されている場合は、「画像」というフォルダを作成し、前にデバイスをオンにUSBを挿入します。いかなるドライブが存在しない場合、装置は、その内部メモリに画像を保存し、後で転送されます。 注：複数の画像を撮影し、撮影の間に1/2センチメートル程度または外キャピラリを移動させることにより、異常のリスクを低減するために分析することができます。 注：（検出されたユーザインタフェース上で報告として）視野内の細胞数が高すぎるか低すぎる場合、またはデバイスからキャピラリをシフトまたは別のSAを調製mple。 </li><li>サンプルを削除し、制度や地域の規則に従ってサンプルを捨てます。毛細血管はシャープとして配置する必要があります。 </li></ol><img alt="図3" src="/files/ftp_upload/55012/55012fig3.jpg" /> 図3：サンプル調製とユーザーインターフェイス。 （a）は、サンプル調製手順は、対象の指を穿刺血液の液滴を形成し、試料試験溶液に血液滴を移送、試料を撹拌し、毛管作用を介して、毛細管にロードし、磁気浮上にサンプルを挿入することを含みますデバイス。 （b）は、これらのサンプル調製ステップは、サンプル調製を導くために、デバイスの画面上に表示されます。 （c）のデバイスは、4つのボタンが含まれます。適切に調整ノブを使用してフォーカスを調整するために、サンプル画像にズームインするためのボタンを。単一メートルを取得するためのボタンeasurement（5秒遅延は、サンプルを挿入するユーザのための時間を許可するように実装されています）。タイムラプス測定（6イメージは5秒間隔で採取されています）。ボタンは使用後に、デバイスの電源をオフにします。 Yenilmezから、許可を得て、再現し、 ら。 8 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55012/55012fig3large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> 前記画像解析4、5、6、7、8 <ol><li>適切なサンプル（細胞分布または細胞型分離）するためのデバイスに含まれる画像解析ソフトウェアを実行します。 注：自己完結型デバイスでは、分析が自動的に実行され、グラフィカル・ユーザ・インターフェース上に表示されます。スマートフォン対応機器については、分析を実行するために、ギャラリーaに行きます所望の動画ファイルを選択しNDが分析されます。 </li><li>画面上に表示された分析の出力を観察し、記録します。 注：（例えば、鎌状赤血球症の診断など）の細胞分布分析のために、出力は、細胞集団の閉じ込めの幅です。 注：（このようなWBCの識別など）の細胞型の分離のために、出力は、識別されたWBC集団とイメージとなります。マイクロリットル当たりの細胞の数を計算するために、2,000倍の画像あたりの白血球の平均数を乗算します。 5白血球が観察された場合、これは、10,000のWBC /μLを示すであろう。 11000のWBC /μL - 正常範囲は、一般的に3500であると考えられています。 </li><li>あるいは1/2センチ約装置から試料管を移動させ、上記のように分析される他の画像を撮像して分析を繰り返します。 注：これは、分析に5繰り返すことをお勧めします - エラーを回避するために、サンプルあたり6回。 </li></ol>

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	<li>Tasoglu, S., Khoory, J., Tekin, H., Thomas, C., Karnoub, A., Ghiran, I., Demirci, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Levitational+Image+Cytometry+with+Temporal+Resolution.">Levitational Image Cytometry with Temporal Resolution.</a> Advanced Materials. 27 (26), 3901-3908 (2015).</li><li>Tasoglu, S., Yu, C. H., Liadudanskaya, V., Guven, S., Migliaresi, C., Demirci, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Magnetic+Levitational+Assembly+for+Living+Material+Fabrication.">Magnetic Levitational Assembly for Living Material Fabrication.</a> Advanced Healthcare Materials. 4 (10), 1469-1476 (2015).</li><li>Tasoglu, S., Yu, C. H., Gungordu, H. I., Guven, S., Vural, T., Demirci, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Guided+and+magnetic+self-assembly+of+magnetoceptive+gels.">Guided and magnetic self-assembly of magnetoceptive gels.</a> Nature Communications. 5, 4702 (2014).</li><li>Amin, R., Knowlton, S., Yenilmez, B., Hart, A., Joshi, A., Tasoglu, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Smart-phone+Attachable,+Flow-Assisted+Magnetic+Focusing+Device.">Smart-phone Attachable, Flow-Assisted Magnetic Focusing Device.</a> RSC Advances. 6, 93922-93931 (2016).</li><li>Knowlton, S. M., Sencan, I., Aytar, Y., Khoory, J., Heeney, M. M., Ghiran, I. C., Tasoglu, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sickle+Cell+Detection+Using+a+Smartphone.">Sickle Cell Detection Using a Smartphone.</a> Sci Rep. 5, 15022 (2015).</li><li>Knowlton, S., Yu, C. H., Jain, N., Ghiran, I. C., Tasoglu, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Smart-Phone+Based+Magnetic+Levitation+for+Measuring+Densities.">Smart-Phone Based Magnetic Levitation for Measuring Densities.</a> PLoS One. 10 (8), e0134400 (2015).</li><li>Yenilmez, B., Knowlton, S., Tasoglu, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Self-Contained+Handheld+Magnetic+Platform+for+Point+of+Care+Cytometry+in+Biological+Samples+.">Self-Contained Handheld Magnetic Platform for Point of Care Cytometry in Biological Samples .</a> Advanced Materials Technologies. 1, 1600144 (2016).</li><li>Yenilmez, B., Knowlton, S., Yu, C. H., Heeney, M., Tasoglu, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Label-Free+Sickle+Cell+Disease+Diagnosis+Using+a+Low-Cost,+Handheld+Platform.">Label-Free Sickle Cell Disease Diagnosis Using a Low-Cost, Handheld Platform.</a> Adv Mat Tech. 1 (5), 1600100 (2016).</li><li>Bender, M. A., Douthitt Seibel, G., Pagon, R. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> GeneReviews. , (1993).</li><li>Kaul, D. K., Fabry, M. E., Windisch, P., Baez, S., Nagel, R. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Erythrocytes+in+sickle+cell+anemia+are+heterogeneous+in+their+rheological+and+hemodynamic+characteristics.">Erythrocytes in sickle cell anemia are heterogeneous in their rheological and hemodynamic characteristics.</a> J Clin Invest. 72 (1), 22-31 (1983).</li><li>Joiner, C. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gardos+pathway+to+sickle+cell+therapies?.">Gardos pathway to sickle cell therapies?.</a> Blood. 111 (8), 3918-3919 (2008).</li><li>Finch, J. T., Perutz, M. F., Bertles, J. F., D&#246;bler, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Structure+of+Sickled+Erythrocytes+and+of+Sickle-Cell+Hemoglobin+Fibers.">Structure of Sickled Erythrocytes and of Sickle-Cell Hemoglobin Fibers.</a> Proc Natl Acad Sci. 70 (3), 718-722 (1973).</li><li>Lew, V. L., Etzion, Z., Bookchin, R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dehydration+response+of+sickle+cells+to+sickling-induced+Ca(++)+permeabilization.">Dehydration response of sickle cells to sickling-induced Ca(++) permeabilization.</a> Blood. 99 (7), 2578-2585 (2002).</li><li>Ernst, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> NCCLS Procedures for the Collection of Diagnostic Blood Specimens by Venipuncture: Approved Standard-Sixth Addition. 27 (26), (2007).</li></ol>

Authors Stephanie Knowlton and Savas Tasoglu are founders of and have an equity interest in mBiotics, a startup working to commercialize the magnetic levitation platform described herein for point of care diagnostic solutions. A provisional patent entitled "Magnetic Levitation with On-Board Optical Imaging and Image Analysis for Density-Based Separation, Identification, And Measurement" has been filed with UCONN Case No. 16-027 on the technology described here.

プロトコル内の重要なステップ このプロセスにおける重要な要素は、磁石の適切な位置合わせが含まれます。磁石が押しのけなったり、装置内に通常よりも多くを分離した場合、これは結果に影響を与えることができます。プロセスにおけるこの障害等を制御するために、密度制御された粒子は、ポリスチレン微小球などの経時変化を制御するために定期的に使用することができます。?...

ここでは、技術プラットフォームと疾患のための指標として患者の細胞の密度分布を分析するために自動化されたイメージングと分析して結合された磁気浮上を使用する技術を提示します。密度ベースのサイトメトリー分析のために、この多目的なアプローチは、最終的には疾患診断の範囲に適用することができます。しかし、途上国でのポイント・オブ・ケア検査と使用と互換性があるために、技術は、低コスト、携帯性、およびユーザビリティの要件を満たさなければなりません。デバイスおよび消耗品は、低コストで容易に得られなければなりません。サンプル調製は単純でなければならない、解析はユーザの入力や解釈のための最小限の要件を自動化する必要があり、結果はすぐに返されるべきです。さらに、デバイスは、臨床現場だけでなく、発展途上国で有用であるために、コンパクトでポータブルにする必要があります。したがって、我々は、ポイントオブケア互換工の磁気浮上を使用する装置および方法を開発しました患者の細胞集団の密度分布についての結果を返すように自動化された撮像画像解析を結合することにより術。 ポイント・オブ・ケアの技術は、現在の臨床検査の手順よりも顕著な利点を提供します。現在利用可能な技術は、臨床医または医療スタッフによって行われるには余りにも複雑によって所有されるには余りにも高価です。これらの手順の多くは、訓練を受けた技術者によって行われなければならない労働集約型のプロトコルを必要とします。これらの理由から、例えば、血液や尿などの患者サンプルは、一般的に、テストの結果を受信するために、医師のために数日を要することがあり、臨床試験のためのリモート、集中検査室に移し、医師のオフィスで収集されます。これは、（保険支払者の経済的負担を引き起こす）は、このテストは非常にコストがかかり、非効率的になり、いくつかのケースでは、治療の過程で遅延や合併症を引き起こし、さらに多くを行うことができます低リソース設定と途上国におけるアクセス不能の診断。 ここでは、埋め込まれた撮像処理（ 図1）およびスマートフォン対応機器（ 図2）とのデバイスの両方で自動イメージングおよび分析と結合された磁気浮上技術を提示します。これらの磁気浮上ベースのデバイスは、異なる医療診断用途の範囲に適用される可能性を有する広く適用プラットフォーム技術を表します。磁気力と浮力1、2、3：二つの力の間の平衡に基づく磁気浮上アプローチ機能。粒子は、常磁性媒体中に懸濁二つMAGN間の中心線の方向に粒子の磁力が作用し、互いに対向するように極を有する2つの磁石によって発生する磁場の中に挿入されたとき<html> ETS。浮力は、懸濁媒体に比べ粒子の相対密度によって引き起こされると周囲の媒体よりも高密度粒子の場合にはあまりメディアより緻密で下方粒子の場合には上向きになっています。これらの二つの力に基づいて、粒子は、これらの二つの力がバランスフィールドに平衡浮上位置に到達します。この位置は、低密度の粒子よりもフィールドに低い浮上密度の高い粒子と、粒子の密度に直接関係しています。撮像モジュール、内蔵スマートフォンカメラ4、5、6または拡大レンズ7,8を備えた独立した光学部品、粒子の位置を視覚化するために使用されていますか。画像処理のいずれかのスマートフォン・アプリケーションを介して4、5、= &quot;外部参照&quot;&gt; 6または埋め込み処理部7、8は 、その後、したがって、人口の密度分布を空間分布を定量化し、するために撮影した画像を処理します。例えばミリリットル当たり関心のほんの数の粒子を有するもののような、より大きな試料（分析するために、流れは、それらが、撮像領域（ 図2）を通過するように、そのような粒子が浮遊し、分析するデバイスに直接統合することができます。 <img alt="図1" src="/files/ftp_upload/55012/55012fig1.jpg" /> 図1：自己完結型の磁気浮上プラットフォーム。 （a）は、表示画面を有する磁気集束モジュール、撮像コンポーネント（発光ダイオード（LED）、光学レンズ、およびカメラ検出器）、及び処理装置を含む小型磁気浮上装置。 （b）は、CROでの磁界強度サンプルが挿入された磁石との間の領域のSS-セクション。電界強度は、磁石の表面で最大であり、それらの間の中心でゼロに近づきます。 （c）の粒子は、このような細胞として、磁場の経験、いくつかの軍内：磁気間の中心線に向かう磁気力（F mの）、大きさの粒子の位置により異なります。懸濁媒体のそれに比べ粒子密度に依存する重力（FとG &#39;）、および粒子の動きに抵抗する抵抗力（F d）は。 Yenilmezから、許可を得て、再現し、 ら。 8 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55012/55012fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> <img alt="図2" src="/files/ftp_upload/55012/55012fig2.jpg" /> イチジクURE 2：スマートフォン互換フローアシスト磁気浮上プラットフォーム。 （ - c）の前（a）の背面、側面（b）および（c）の磁気浮揚装置（d）のデバイスの構成要素としてのビュー：1）磁気浮上モジュール、永久磁石、拡大レンズを含む、およびLEDと光拡散、マイクロコントローラ、ポンプドライバ、およびBluetoothレシーバーを含む2）スマートフォンケース、3）エレクトロニクス、4）マイクロポンプホルダー、5）調整可能なオリフィス、6）廃棄物管ホルダー、7）電池ホルダー、8 ）試料ホルダー、9）兼用スタンドとカバー。 （e）の磁場を通して試料のポンプを示す、概略的なフロー。 （F）は、フィールドを介してポンピングされるように異なる密度の粒子を整列する方法を示す磁気浮上モジュールの断面図。このような粒子1のような密度の低い粒子は、高い浮上高さトンで平衡化しますこのような粒子2と漢より高密度の粒子は、 らアミン、から、許可を得て、再現します。 1 <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55012/55012fig2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a> このシステムにおける密度分布の分析のために任意のサンプルを使用するための最低限の要件は、細胞または約5μmと約250μmの大きさよりも小さく（撮像と画像処理用）との適合性よりも大きい粒子の懸濁液を得る能力を含みますそのようなここで使用ガドブトロールとして常磁性液の溶液中で混合します。疾患の診断のために、互換性のあるアプリケーションは、健康な対照と比較して疾患を運ぶときに、目的のもの（I）において、細胞は本質的に密度変化が、試薬または一部を添加することによって細胞内で誘導することができる（II）、改変された密度を有し含みます要するにための代替治療cubation時間、または（iii）異なる細胞型は、単一のサンプル中で同定され、本質的に（またはいくつかの処理を介して ）されているが独特の特徴密度を有します。 鎌状赤血球症、間欠血管閉塞事象および慢性溶血性貧血9をもたらすことができる人の赤血球（RBC）で製造されるヘモグロビンの変異型、HBSを引き起こす遺伝性疾患です。これは、ヘモグロビンの等電非常に正確であるが、それらは、ポイントオブケアの設定と互換性がないため、臨床検査室で行わなければならない、高速液体クロマトグラフィー（HPLC）分画、又はヘモグロビン電気焦点のいずれかを使用して診断されます。鎌状赤血球症のための溶解度及び紙ベースのテストが提案されているが、一般的に主観的なユーザの解釈や確認試験を必要とされてきました。ここでは、RBよりも高い密度を達成する、鎌状赤血球を同定するための密度ベースのアプローチを使用し鎌状赤血球疾患のない人からのCs。機構は、脱酸素化条件10、11、12、13の下鎌状赤血球症の赤血球に赤血球脱水を起こすヘモグロビン、HBSの変異型の重合を含みます。 白血球（WBC）および赤血球7：この密度に基づくアプローチは、密度に基づいて、異なる種類の細胞を分離するために適用することができます。白血球は、一般的に、体内の感染症との戦いに関与しています。 WBCサイトメトリーは、血液中のこれらの細胞の数を定量化するために使用され、有用な診断ツールとして機能することができます。 WBCは、通常よりも高いカウント（一般μLあたり11,000細胞よりも大きいと考えられる）感染、免疫系障害、または白血病を示すことができます。 （μLあたり3500細胞の周囲の）正常範囲以下のWBC数は、自己免疫疾患またはコンディットによって引き起こされることがあります骨髄を損傷するイオン。代替技術とは異なり、ここで紹介する方法は、白血球を識別するために、赤血球や汚れの溶解に依存しません。 WBC集団密度は密度勾配遠心2、3を使用して、以前に計算されたRBCの集団よりも低いことが報告されているように、この細胞ベースの試験は、分離を行うために、2つの細胞タイプの固有の固有の密度を利用します。 15分、および1分未満を必要とし、自動イメージング及び分析-遠隔地に代替の試験と比較して、この試験は、単純な試料調製（ 図3）、10内のデバイス内の細胞の分離と、迅速です。この方法では、装置は、治療は、物理的および心理的苦痛を軽減し、合併症のassociのリスクを低減するために、すぐに投与されることを可能にする、より良い医療の意思決定を通知するために迅速に結果を返すことができ医療における遅延でated。この技法は、サイトのいずれかの単純なサンプル調製、最小限のユーザ入力または解釈に結果を返し、自動画像化及び分析のために臨床的状況において実施することができます。そのため、サンプルの分析およびスマートフォンや画像撮影・画像処理のための単純な電気部品のいずれかを使用するための永久磁石を使用した簡単なアプローチの使用により、デバイスだけでなく、あたりのテストコストはいくつかの洗練されたテスト手順に比べてごくわずかです。

<table><tbody><tr><td>Gadavist (Bayer)</td><td>Jefferson Medical and Imaging</td><td>2068062</td><td>Gadavist contains 1M gadobutrol, a chelate of gadolinium. We purchased 2 ml vials with 15/ca.</td></tr><tr><td>Square glass microcapillary tubes</td><td>Vitrocom</td><td>8270</td><td>50 mm length is sufficient</td></tr><tr><td>Sodium metabisulfite</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>S9000</td><td>Chemical formula: Na&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;S&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;O&lt;sub&gt;5&lt;/sub&gt;</td></tr><tr><td>Leica Microsystems Critoseal tube sealant</td><td>Fisher Scientific</td><td>02-676-20</td><td></td></tr><tr><td>Hank&#039;s Balanced Salt Solution</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>H9269&amp;nbsp;SIGMA</td><td></td></tr><tr><td>Trypsin-EDTA</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>T4049</td><td>Or other reagent as recommended for the cell type used</td></tr><tr><td>MICROLET 2 Adjustable Lancing Device</td><td>Walgreens</td><td>246567</td><td>Any lancing device is acceptable when used according to biosafety protocols</td></tr><tr><td>Microlet Lancets</td><td>Walgreens</td><td>667474</td><td>Must be dispoable and not reused</td></tr><tr><td>Hausser Bright-Line Phase Hemacytometer</td><td>Fisher Scientific</td><td>02-671-6</td><td>Or any preferred method for cell counting</td></tr><tr><td>ACK Lysing Buffer</td><td>ThermoFisher</td><td>A1049201&amp;nbsp;</td><td></td></tr></tbody></table>

magnetic levitation coupled with portable imaging and analysis for disease diagnostics

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.

鎌状赤血球症の診断に使用される技術である細胞密度分布分析のために、目的は、細胞集団の分布の幅を特定することです。鎌状赤血球疾患のない患者からの血液細胞は、予測可能な幅内に限定されます。鎌状赤血球症を有する患者からの細胞は、細胞分布の下方スキューで、広い領域にわたって分配される任意の特定の用途のために（ 図4参照 ）、閾?...

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Magnetic Levitation Coupled with Portable Imaging and Analysis for Disease Diagnostics

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.

病の診断のためのポータブルイメージングおよび分析と相まって磁気浮上

Currently, many clinical diagnostic procedures are complex, costly, inefficient, and inaccessible to a large population in the world. The requirements for ...

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Unit 1

Equilibrium of a Particle

SCIENTISTS IN ACTION

8.7K ビュー.  University of Connecticut. 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.

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Registered Bioimaging of Nanomaterials for Diagnostic and Therapeutic Monitoring 

Nanomedications can be carried by blood borne monocyte-macrophages into the reticuloendothelial system (RES; spleen, liver, lymph nodes) and to end organs. The latter include the lung, RES, and brain and are operative during human immunodeficiency virus type one (HIV-1) infection. Macrophage entry into tissues is notable in areas of active HIV-1 replication and sites of inflammation. In order to assess the potential of macrophages as nanocarriers, superparamagnetic iron-oxide and/or drug laden particles coated with surfactants were parenterally injected into HIV-1 encephalitic mice. This was done to quantitatively assess particle and drug biodistribution. Magnetic resonance imaging (MRI) test results were validated by histological coregistration and enhanced image processing. End organ disease as typified by altered brain histology were assessed by MRI. The demonstration of robust migration of nanoformulations into areas of focal encephalitis provides '"proof of concept" for the use of advanced bioimaging techniques to monitor macrophage migration. Importantly, histopathological aberrations in brain correlate with bioimaging parameters making the general utility of MRI in studies of cell distribution in disease feasible. We posit that using such methods can provide a real time index of disease burden and therapeutic efficacy with translational potential to humans.

Registered Bioimaging of Nanomaterials for Diagnostic and Therapeutic Monitoring

Bioimaging methods used to assess cell biodistribution of nanoparticles are applicable for therapeutic and diagnostic monitoring of nanoformulated compounds. The methods described herein are sensitive and specific when assessed by histological coregistration. The methodologies provide a translational pathway from rodent to human applications.

診断と治療モニタリングのためのナノ材料の登録バイオイメージング

Nanomedications can be carried by blood borne monocyte-macrophages into the reticuloendothelial system (RES; spleen, liver, lymph nodes) and to end ...

生物工学

Magnetically-Assisted Remote Controlled Microcatheter Tip Deflection under Magnetic Resonance Imaging

X-ray fluoroscopy-guided endovascular procedures have several significant limitations, including difficult catheter navigation and use of ionizing radiation, which can potentially be overcome using a magnetically steerable catheter under MR guidance.
	The main goal of this work is to develop a microcatheter whose tip can be remotely controlled using the magnetic field of the MR scanner. This protocol aims to describe the procedures for applying current to the microcoil-tipped microcatheter to produce consistent and controllable deflections.
	A microcoil was fabricated using laser lathe lithography onto a polyimide-tipped endovascular catheter. In vitro testing was performed in a waterbath and vessel phantom under the guidance of a 1.5-T MR system using steady-state free precession (SSFP) sequencing. Various amounts of current were applied to the coils of the microcatheter to produce measureable tip deflections and navigate in vascular phantoms.
	The development of this device provides a platform for future testing and opportunity to revolutionize the endovascular interventional MRI environment.

Current applied to an endovascular microcatheter with microcoil tip made by laser lathe lithography can achieve controllable deflections under magnetic resonance (MR) guidance, which may improve speed and efficacy of navigation of vasculature during various endovascular procedures.

磁気共鳴イメージング下磁気アシストリモート制御マイクロカテーテルの先端偏向

X-ray fluoroscopy-guided  endovascular procedures have several significant limitations, including  difficult catheter navigation and use of ionizing ...

Frequency Mixing Magnetic Detection Scanner for Imaging Magnetic Particles in Planar Samples

The setup of a planar Frequency Mixing Magnetic Detection (p-FMMD) scanner for performing Magnetic Particles Imaging (MPI) of flat samples is presented. It consists of two magnetic measurement heads on both sides of the sample mounted on the legs of a u-shaped support. The sample is locally exposed to a magnetic excitation field consisting of two distinct frequencies, a stronger component at about 77 kHz and a weaker field at 61 Hz. The nonlinear magnetization characteristics of superparamagnetic particles give rise to the generation of intermodulation products. A selected sum-frequency component of the high and low frequency magnetic field incident on the magnetically nonlinear particles is recorded by a demodulation electronics. In contrast to a conventional MPI scanner, p-FMMD does not require the application of a strong magnetic field to the whole sample because mixing of the two frequencies occurs locally. Thus, the lateral dimensions of the sample are just limited by the scanning range and the supports. However, the sample height determines the spatial resolution. In the current setup it is limited to 2 mm. As examples, we present two 20 mm &#215; 25 mm p-FMMD images acquired from samples with 1 &#181;m diameter maghemite particles in silanol matrix and with 50 nm magnetite particles in aminosilane matrix. The results show that the novel MPI scanner can be applied for analysis of thin biological samples and for medical diagnostic purposes.

A scanner for imaging magnetic particles in planar samples was developed using the planar frequency mixing magnetic detection technique. The magnetic intermodulation product response from the nonlinear nonhysteretic magnetization of the particles is recorded upon a two-frequency excitation. It can be used to take 2D images of thin biological samples.

平面サンプル中の磁性粒子を撮像する磁気検出スキャナ周波数混合

The setup of a planar Frequency Mixing Magnetic Detection (p-FMMD) scanner for performing Magnetic Particles Imaging (MPI) of flat samples is presented. ...

工学

Remote Magnetic Actuation of Micrometric Probes for in situ 3D Mapping of Bacterial Biofilm Physical Properties

Bacterial adhesion and growth on interfaces lead to the formation of three-dimensional heterogeneous structures so-called biofilms. The cells dwelling in these structures are held together by physical interactions mediated by a network of extracellular polymeric substances. Bacterial biofilms impact many human activities and the understanding of their properties is crucial for a better control of their development &#8212; maintenance or eradication &#8212; depending on their adverse or beneficial outcome. This paper describes a novel methodology aiming to measure in situ the local physical properties of the biofilm that had been, until now, examined only from a macroscopic and homogeneous material perspective. The experiment described here&#160;involves introducing magnetic particles into a growing biofilm to seed local probes that can be remotely actuated without disturbing the structural properties of the biofilm. Dedicated magnetic tweezers were developed to exert a defined force on each particle embedded in the biofilm. The setup is mounted on the stage of a microscope to enable the&#160;recording of time-lapse images of the particle-pulling period. The particle trajectories are then extracted from the pulling sequence and the local viscoelastic parameters are derived from each particle displacement curve, thereby providing the 3D-spatial distribution of the parameters. Gaining insights into the biofilm mechanical profile is essential from an engineer&#39;s point of view for biofilm control purposes but also from a fundamental perspective to clarify the relationship between the architectural properties and the specific biology of these structures.

Remote Magnetic Actuation of Micrometric Probes for in situ 3D Mapping of Bacterial Biofilm Physical Properties

This paper shows an original methodology based on the remote actuation of magnetic particles seeded in a bacterial biofilm and the development of dedicated magnetic tweezers to measure in situ the local mechanical properties of the complex living material built by micro-organisms at interfaces.

のためのマイクロメトリックプローブの遠隔磁気作動<em&gt;その場での</em細菌バイオフィルム物性&gt; 3Dマッピング

Bacterial adhesion and growth on interfaces lead to the formation of three-dimensional heterogeneous structures so-called biofilms. The cells dwelling in ...

Noninvasive Assessment of Cardiac Abnormalities in Experimental Autoimmune Myocarditis by Magnetic Resonance Microscopy Imaging in the Mouse

Myocarditis is an inflammation of the myocardium, but only ~10% of those affected show clinical manifestations of the disease. To study the immune events of myocardial injuries, various mouse models of myocarditis have been widely used. This study involved experimental autoimmune myocarditis (EAM) induced with cardiac myosin heavy chain (Myhc)-&#945; 334-352 in A/J mice; the affected animals develop lymphocytic myocarditis but with no apparent clinical signs. In this model, the utility of magnetic resonance microscopy (MRM) as a non-invasive modality to determine the cardiac structural and functional changes in animals immunized with Myhc-&#945; 334-352 is shown. EAM and healthy mice were imaged using a 9.4 T (400 MHz) 89 mm vertical core bore scanner equipped with a 4 cm millipede radio-frequency imaging probe and 100 G/cm triple axis gradients. Cardiac images were acquired from anesthetized animals using a gradient-echo-based cine pulse sequence, and the animals were monitored by respiration and pulse oximetry. The analysis revealed an increase in the thickness of the ventricular wall in EAM mice, with a corresponding decrease in the interior diameter of ventricles, when compared with healthy mice. The data suggest that morphological and functional changes in the inflamed hearts can be non-invasively monitored by MRM in live animals. In conclusion, MRM offers an advantage of assessing the progression and regression of myocardial injuries in diseases caused by infectious agents, as well as response to therapies.

This study demonstrates the successful establishment of magnetic resonance microscopy imaging as a non-invasive tool to assess the cardiac abnormalities in mice affected with autoimmune myocarditis. The data indicate that the technique can be used to monitor the disease-progression in live animals.

マウスでの磁気共鳴イメージング顕微鏡による実験的自己免疫性心筋炎における心臓の異常を非侵襲的に評価

Myocarditis is an inflammation of the myocardium, but only ~10% of those affected show clinical manifestations of the disease. To study the immune events ...

医学

Magnetic Field Mapping using Off-Axis Electron Holography in the Transmission Electron Microscope

Off-axis electron holography is a powerful technique that involves the formation of an interference pattern in a transmission electron microscope (TEM) by overlapping two parts of an electron wave, one of which has passed through a region of interest on a specimen and the other is a reference wave. The resulting off-axis electron hologram can be analyzed digitally to recover the phase difference between the two parts of the electron wave, which can then be interpreted to provide quantitative information about local variations in electrostatic potential and magnetic induction within and around the specimen. Off-axis electron holograms can be recorded while a specimen is subjected to external stimuli such as elevated or reduced temperature, voltage, or light. The protocol that is presented here describes the practical steps that are required to record, analyze, and interpret off-axis electron holograms, with a primary focus on the measurement of magnetic fields within and around nanoscale materials and devices. Presented here are the steps involved in the recording, analysis, and processing of off-axis electron holograms, as well as the reconstruction and interpretation of phase images and visualization of the results. Also discussed are the need for optimization of the specimen geometry, the electron optical configuration of the microscope, and the electron hologram acquisition parameters, as well as the need for the use of information from multiple holograms to extract the desired magnetic contributions from the recorded signal. The steps are illustrated through a study of specimens of B20-type FeGe, which contain magnetic skyrmions and were prepared with focused ion beams (FIBs). Prospects for the future development of the technique are discussed.

<meta charset="utf8"></head><body>透過型電子顕微鏡におけるOff-Axis Electron Holographyを用いた磁場マッピング

Guidelines are presented for recording and interpreting off-axis electron holograms to provide quantitative images of magnetic fields in nanoscale materials and devices in the transmission electron microscope.

透過型電子顕微鏡におけるOff-Axis Electron Holographyを用いた磁場マッピング

Off-axis electron holography is a powerful technique that involves the formation of an interference pattern in a transmission electron microscope (TEM) by ...

Rapid Homogeneous Detection of Biological Assays Using Magnetic Modulation Biosensing System

A magnetic modulation biosensing system (MMB) [1,2] rapidly and homogeneously detected biological targets at low concentrations without any washing or separation step. When the IL-8 target was present, a 'sandwich'-based assay attached magnetic beads with IL-8 capture antibody to streptavidin coupled fluorescent protein via the IL-8 target and a biotinylated IL-8 antibody. The magnetic beads are maneuvered into oscillatory motion by applying an alternating magnetic field gradient through two electromagnetic poles. The fluorescent proteins, which are attached to the magnetic beads are condensed into the detection area and their movement in and out of an orthogonal laser beam produces a periodic fluorescent signal that is demodulated using synchronous detection. The magnetic modulation biosensing system was previously used to detect the coding sequences of the non-structural Ibaraki virus protein 3 (NS3) complementary DNA (cDNA) [2]. The techniques that are demonstrated in this work for external manipulation and condensation of particles may be used for other applications, e.g. delivery of magnetically-coupled drugs in-vivo or enhancing the contrast for in-vivo imaging applications.

Magnetic modulation biosensing system is utilized to rapidly, sensitively and simply detect biological assays, such as DNA molecules and proteins.

磁気変調バイオセンシングシステムを用いた生物学的アッセイの迅速な均質な検出

A magnetic modulation biosensing system (MMB) [1,2] rapidly and homogeneously detected biological targets at low concentrations without any washing or ...

生物学

Measuring the Influence of Magnetic Vestibular Stimulation on Nystagmus, Self-Motion Perception, and Cognitive Performance in a 7T MRT

Strong magnetic fields induce dizziness, vertigo, and nystagmus due to Lorentz forces acting on the cupula in the semi-circular canals, an effect called magnetic vestibular stimulation (MVS). In this article, we present an experimental setup in a 7T MRT scanner (MRI scanner) that allows the investigation of the influence of strong magnetic fields on nystagmus as well as perceptual and cognitive responses. The strength of MVS is manipulated by altering the head positions of the participants. The orientation of the participants&#39; semicircular canals with respect to the static magnetic field is assessed by combining a 3D magnetometer and 3D constructive interference in steady-state (3D-CISS) images. This approach allows to account for intra- and inter-individual differences in participants&#8217; responses to MVS. In the future, MVS can be useful for clinical research, for example, in the investigation of compensatory processes in vestibular disorders. Furthermore, it could foster insights into the interplay between vestibular information and cognitive processes in terms of spatial cognition and the emergence of self-motion percepts under conflicting sensory information. In fMRI studies, MVS can elicit a possible confounding effect, especially in tasks influenced by vestibular information or in studies comparing vestibular patients with healthy controls.

In this article, we describe the experimental setup, material, and procedures to assess reflexive eye movements, self-motion perception, and cognitive tasks under magnetic vestibular stimulation, as well as the anatomical orientation of the vestibular organs, in a 7 Tesla Magnetic resonance tomography (7T-MRT) scanner.

磁気前庭刺激が眼振,自己運動知覚,認知能力に及ぼす影響の測定(7T MRT)

Strong magnetic fields induce dizziness, vertigo, and nystagmus due to Lorentz forces acting on the cupula in the semi-circular canals, an effect called ...

神経科学

Quantification of Cellular Densities and Antigenic Properties using Magnetic Levitation

The described method was developed based on the principles of magnetic levitation, which separates cells and particles based on their density and magnetic properties. Density is a cell type identifying property, directly related to its metabolic rate, differentiation, and activation status. Magnetic levitation allows a one-step approach to successfully separate, image and characterize circulating blood cells, and to detect anemia, sickle cell disease, and circulating tumor cells based on density and magnetic properties. This approach is also amenable to detecting soluble antigens present in a solution by using sets of low- and high-density beads coated with capture and detection antibodies, respectively. If the antigen is present in solution, it will bridge the two sets&#160;of beads, generating a new bead-bead complex, which will levitate in between the rows of antibody-coated beads. Increased concentration of the target antigen in solution will generate a larger number of bead-bead complexes when compared to lower concentrations of antigen, thus allowing for quantitative measurements of the target antigen. Magnetic levitation is advantageous to other methods due to its decreased sample preparation time and lack of dependance on classical readout methods. The image generated is easily captured and analyzed using a standard microscope or mobile device, such as a smartphone or a tablet.

This paper describes a magnetic levitation-based method that can specifically detect the presence of antigens, either soluble or membrane-bound, by quantifying changes in the levitation height of capture beads with fixed densities.

磁気浮上を用いた細胞密度と抗原特性の定量化

The described method was developed based on the principles of magnetic levitation, which separates cells and particles based on their density and magnetic ...

病の診断のためのポータブルイメージングおよび分析と相まって磁気浮上

要約

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診断と治療モニタリングのためのナノ材料の登録バイオイメージング

磁気共鳴イメージング下磁気アシストリモート制御マイクロカテーテルの先端偏向

平面サンプル中の磁性粒子を撮像する磁気検出スキャナ周波数混合

のためのマイクロメトリックプローブの遠隔磁気作動

マウスでの磁気共鳴イメージング顕微鏡による実験的自己免疫性心筋炎における心臓の異常を非侵襲的に評価

透過型電子顕微鏡におけるOff-Axis Electron Holographyを用いた磁場マッピング

透過型電子顕微鏡におけるOff-Axis Electron Holographyを用いた磁場マッピング

磁気変調バイオセンシングシステムを用いた生物学的アッセイの迅速な均質な検出

磁気前庭刺激が眼振,自己運動知覚,認知能力に及ぼす影響の測定(7T MRT)

磁気浮上を用いた細胞密度と抗原特性の定量化