글로벌 질병 진단을 위한 레이저 다이오드를 탑재한 레인보우 휴대용 사이토폰을 향하여

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 8671(2022) 이 기사 인용

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생체 내에서 Cytophone은 감도가 전례 없이 1,000배 향상되어 혈류에서 직접 순환하는 질병 표지의 광음향 검출을 통해 암, 감염 및 심혈관 질환의 조기 진단 기능을 입증했습니다. 그럼에도 불구하고, 더 높은 특이성과 휴대성을 갖춘 사이토폰이 시급히 필요하다. 여기에서는 소형 다중 스펙트럼 레이저 다이오드 어레이, 시간-색상 코딩 및 고속 시간 분해 신호 처리를 통합한 새로운 Cytophone 플랫폼을 소개합니다. 2색(808nm/915nm) 레이저 다이오드를 사용하여 혈액 배경 및 인공물에 대해 말라리아에 감염된 적혈구의 백색 및 적색 혈전, 흑색종 세포 및 헤모조인의 스펙트럼 식별을 시연했습니다. Plasmodium yoelii 쥐 모델과 배양된 인간 P. falciparum의 데이터는 공초점 광열 및 형광 현미경을 사용하여 시험관 내에서 검증되었습니다. 이러한 기술을 사용하여 우리는 침입 후 4시간 이내에 감염된 세포를 검출하여 헤모조인을 말라리아 진행의 초기 단계에서 스펙트럼 선택적 마커로 유망하게 만듭니다. 흑색종, 균혈증, 겸상 빈혈, 혈전증, 뇌졸중 및 비정상적인 헤모글로빈 형태의 진단을 위해 기존 레이저를 사용하여 Cytophone을 이전에 적용한 결과와 함께, 이 현재 발견은 다중 스펙트럼 레이저를 사용하는 휴대용 무지개 Cytophone의 개발 가능성을 제시합니다. 이러한 질병 및 기타 질병을 식별하기 위한 다이오드.

첨단 레이저를 사용한 질병 진단에서 상당한 진전이 이루어졌습니다1. 다양한 레이저 방법 중에서 광음향(PA) 기술은 감도, 비침습성 및 최대 3~5cm2,3,4의 생체 조직에 대한 깊이 침투 측면에서 장점을 보여주었습니다. 여러 PA 영상 장치는 크론병 상태 평가5, 유방암 진단6,7 및 경정맥의 혈액 산소 공급 모니터링8을 포함하여 인간의 생체 내에서 유망한 임상 결과를 입증했습니다. 이러한 질병과 기타 여러 질병의 진단은 종종 환자의 혈액 검사로 시작됩니다. 그러나 기존 혈액 검사는 수집된 혈액량이 적기 때문에(일반적으로 정맥의 경우 5~10mL, 모세혈관 샘플의 경우 수 μL) 감도가 제한되어 최대 103~104개의 비정상 세포를 놓치기 때문에 조기 진단을 제공할 수 없습니다. 또는 전체 혈액량(성인의 경우 ~ 5L)9의 바이오마커. 누락된 세포의 이 큰 부분은 순환 종양 세포(CTC), 박테리아 및 혈전에 의해 각각 형성된 전이, 패혈증 또는 뇌졸중과 같이 치료하기가 너무 어려운 질병 진행을 초래할 수 있습니다9,10. 특히, 다양한 CTC 분석법 개발에 대한 막대한 노력에도 불구하고 민감도가 낮고 데이터가 일관되지 않아 아직 임상 사용이 권장되지 않으며 결과적으로 특히 조기 질병 진단에 대한 진단 가치가 불분명합니다10,11. 또한 대부분의 기존 PA 기술, 특히 PA 이미징은 피하 혈관에 존재하더라도 일반적인 속도가 5~10cm/s인 빠르게 이동하고 순환하는 질병 바이오마커를 감지할 수 없으므로 유용성이 더욱 제한됩니다10.

이러한 제한은 형광, 광열(PT), 라만, 특히 PA 검출 방법과 그 조합을 사용한 생체 내 유세포 분석의 원리를 사용하여 생체 내에서 더 큰 혈액량을 평가함으로써 해결할 수 있습니다. 이러한 방법 중에서 생체 내 PA 유세포 분석(PAFC)은 박테리아(예: 황색포도상구균 및 대장균), 혈전, 낫적혈구, 엑소좀, 다양한 형태의 헤모글로빈(Hb)의 혈류에서 직접 검출에 대한 임상적 타당성을 입증했습니다. )(예: 옥시-, 데옥시- 및 메타-Hb), 나노입자(NP) 및 고유(예: 멜라닌, Hb, Hz [헤모조인], 시토크롬, 카로티노이드) 또는 인공(예: 금 NP) PA를 사용하는 CTC 조영제9,12,14,15,16,17,18,19,20. 임상 시험에서 PAFC는 생체 내 흑색종 환자의 CTC, 혈전 및 CTC 혈전 색전을 검출하기 위한 기존 진단 방법에 비해 전례 없는 ~ 1000배의 감도 개선을 제공했습니다21. 우리는 또한 생체 내 PAFC가 동물 모델에서 0.0000001% 수준의 기생충혈증14,15에서 순환하는 쥐 말라리아에 감염된 세포를 검출할 가능성이 있음을 입증했습니다.

5% parasitemia, they were synchronized with a 5% sorbitol solution to include only 0 to 12-h post-infection ring-stage parasites. These culture plates were monitored until parasites reached the late schizont stage, at which point a 60% Percoll gradient was used to separate the schizont-stage parasites. The collected schizont parasites were reintroduced to a new culture plate with uninfected human erythrocytes and allowed to incubate for 4 h. These P. falciparum cultures were synchronized with a 5% sorbitol solution to create plates containing only 0 to 4-h post-infection ring-stage parasites. The synchronized P. falciparum cultures were monitored for the next 48 h with a serial sampling of the culture every 6 h to prepare thin and thick blood smear microscopy slides for analysis. Nine total samples were taken of the synchronized cultures, including the following time points after erythrocyte infection: 0–4 h, 6–10 h, 12–16 h, 18–22 h, 24–28 h, 30–34 h, 36–40 h, 42–46 h, and 48–52 h./p>