Элементарные морфометрические лаборатории на чипе на основе гемоцитометрических камер с радиочастотной идентификацией культур и трансляцией спектрозонально-гистохимического мониторинга

Abstract

An accessible design of autonomous labs on the chip which do not require a special reader is developed. The proposed device uses hemocytometric counting chambers for determination of concentration of cells, isolated by a special device for cell sedimentation. A system of automated RF-identification of chambers in the long-term storage is proposed which provides new morphometric data at various stages of cultivation or biomonitoring. A new diffraction method of calculation and fingerprinting of cellular structures in varying environmental conditions is described. Experimental data on the pilot testing of Fuchs-Rosenthal, Buerker, Neubauer, Makler and Thoma chambers for the described technique is given. The applicability of these devices for coherent-densitometric indication either of concentration dynamics in cell culture or suspension or morphogenetic processes in them for laminar conditions is shown. A self-learning program for cellular pattern recognition and relational cytophotometry based on lab on the chip with an object-micrometric calibration relative to the counting net is demonstrated. A hybrid in vitro / in silico method of morphogenesis monitoring in cell cultures is introduced.

• telemedicine
• CCD
• Mathematical Morphology
• pattern recognition
• automatic classification
• cmos

Аннотация (на русском)

Элементарные морфометрические лаборатории на чипе на основе гемоцитометрических камер с радиочастотной идентификацией культур и трансляцией спектрозонально-гистохимического мониторинга

Предложена общедоступная конструкция автономных (не требующих специального устройства для считывания) лабораторий на чипе с использованием для секционирования детектируемых клеток, выделяемых с помощью аппарата Сайка, сетчатых счетных камер гемоцитометрического типа. Предложена система их автоматизированной радиочастотной идентификации в условиях длительного хранения, сопровождающейся получением новых морфометрических данных на различных стадиях культивирования или биомониторинга. Описана дифракционная методика подсчета и фингерпринтинга клеточных образований в варьируемых условиях среды. Приведены экспериментальные данные по апробированию для её реализации камер Фукса-Розенталя, Бюркера, Нейбауэра, Маклера и Тома-Цейсса. Показана применимость данных устройств в когерентно-денситометрической индикации концентрационной динамики в клеточной культуре или суспензии и морфогенетических процессов в них для ламинарных условий среды. Продемонстрирована самообучающаяся программа для распознавания паттернов клеток и прецизионной цитоморфометрии на базе лаборатории на чипе с объектно-микрометрической калибровкой по сетке камеры. Введен в практику гибридный in vitro / in silico принцип мониторинга морфогенеза культур.

For citation

References

1. Ghallab Y.H., Badawy W. Lab-on-a-chip: Techniques, Circuits, and Biomedical Applications. Artech House, 220 p., 2010.
2. Barbulovic-Nad I., Au S.H., Wheeler A.R. A microfluidic platform for complete mammalian cell culture, Lab. Chip., Vol. 10, pp. 1536-1542 (2010).
3. Hufnagel H., Huebner A., Gülch C., Güse K., Abell C., Hollfelder F. An integrated cell culture lab on a chip: modular microdevices for cultivation of mammalian cells and delivery into microfluidic microdroplets. Lab. Chip., Vol. 9, pp. 1576-1582 (2009).
4. Walker G.M., Zeringue H., Beebe D.J. Microenvironment design considerations for cellular scale studies, Lab. Chip., Vol. 4, pp. 91-97 (2004).
5. Paguirigan A, and D. J. Beebe, Microfluidics, meet cell biology: bridging the gap by validation and application of microscale techniques for cell biological assays, Bioessays, Vol. 30, pp. 811-821 (2008).
6. Domenech M., Yu H., Warrick J., Badders N.M., Meyvantsson I., Alexander C.M., Beebe D.J. Cellular observations enabled by microculture: paracrine signaling and population demographics, Integrative Biology, Vol. 1, pp. 267 - 274 (2009).
7. Satoh W., Takahashi S., Sassa F., Fukuda J., Suzuki H. On-chip culturing of hepatocytes and monitoring their ammoniametabolism, Lab. Chip., Vol. 9, pp. 35-37 (2009).
8. Jebrail M.J., Wheeler A.R. Let's get digital: digitizing chemical biology with microfluidics, Current Opinion in Chemical Biology, Vol. 14, Issue 5, pp. 574-581 (2010)
9. Wheeler B.C., Brewer G.J. Designing Neural Networks in Culture, Proceedings of the IEEE, Vol. 98, Issue 3, pp. 398-406 (2010).
10. Hardelauf H., Sisnaiske J., Taghipour-Anvari A.A., Jacob P., Drabiniok E., Marggraf U., Frimat J.-P., Hengstler J.-G., Neyer A., van Thriel C., West J. High fidelity neuronal networks formed by plasma masking with a bilayer membrane: analysis of neurodegenerative and neuroprotective processes. Lab. Chip., Vol. 11, pp. 2763-2771 (2011).
11. Vishwanathan A., Bi G.-Q., Zeringue H.C. Ring-shaped neuronal networks: a platform to study persistent activity. Lab. Chip., Vol. 11, pp. 1081-1088 (2011).
12. Pedersen S., Kutchinsky J., Friis S., Krzywkowski K., Tracy C.L., Vestergaard R., Sorensen C.B., Vennerberg H., Taboryski R. An electrophysiological lab on a chip. TRANSDUCERS, Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, 12th Int. Conf. (2003), Vol. 2, pp. 1059-1062.
13. Ionescu-Zanetti C., Shaw R.M., Seo J., Jan Y.-J., Jan L.Y. Lee L.P. Mammalian electrophysiology on a microfluidic platform, PNAS, Vol. 102, No. 26, pp. 9112-9117 (2005).
14. Mohammed J.S., Caicedo H.H., Fall C.P., Eddington D.T. Microfluidic add-on for standard electrophysiology chambers. Lab Chip, Vol. 8, pp. 1048-1055 (2008).
15. Ulhaque A., Rokkam M., De Carlo A.R., Wereley S.T., Roux S.J., Irazooqi P.P., Porterfield D.M. A MEMS fabricated cell electrophysiology biochip for in silico calcium measurements, Sensors and actuators. B, Chemical, Vol. 123, No 1, pp. 391-399 (2007).
16. Wang C.J., Li X., Lin B., Shim S., Ming G., Levchenko A. A microfluidics-based turning assay reveals complex growth cone responses to integrated gradients of substrate-bound ECM molecules and diffusible guidance cues Lab Chip, 2008, 8, pp. 227-237 (2008).
17. Liu Y., Smela E., Nelson N.M., Abshire P. Cell-lab on a chip: a CMOS-based microsystem for culturing and monitoring cells. IEEE Eng. Med. Biol. Soc., No. 4, pp.2534-2537 (2004).
18. Eltoukhy H., Salama K., Gamal A.E. A 0.18-μm CMOS bioluminescence detection lab-on-chip, Solid-State Circuits IEEE, Vol. 41, Issue 3, pp.651-662 (2006).
19. Lee H., Liu Y., Ham D., Westervelt R.M. Integrated cell manipulation system-CMOS/microfluidic hybrid. Lab Chip, Vol. 7, pp. 331-337 (2007).
20. Ghafar-Zadeh E., Sawan M., Therriault D. A 0.18-μm CMOS capacitive sensor Lab-on-Chip, Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 141, Issue 2, pp. 454-462 (2008).
21. Ozawa T., Kinoshita K., Kadowaki S., Tajiri K., Kondo S., Honda R., Ikemoto M., Piao L., Morisato A., Fukurotani K., Kishi H., Muraguchi A. MAC-CCD system: a novel lymphocyte microwell-array chip system equipped with CCD scanner to generate human monoclonal antibodies against influenza virus. Lab Chip, Vol. 9, pp. 158-163 (2009).
22. Balsam J., Ossandon M., Kostov Y., Bruck H.A., Rasooly A. Lensless CCD-based fluorometer using a micromachined optical Söller collimator. Lab Chip, Vol. 11, pp. 941-949 (2011).
23. Muhlberger H., Hwang W., Guber A., Saile V., Hoffmann W. Polymer Lab-on-a-Chip System With Electrical Detection. IEEE Sensors Journal, Vol 8, pp. 572-579 (2008).
24. Васин Б.Л., Малькова С.В., Осипов М.В., Пузырёв В.Н., Саакян А.Т., Стародуб А.Н., Федотов С.И., Фроня А.А. Методика измерения спектральной чувствительности ПЗС-матрицы. Препринт ФИАН, № 18 - 2007, 20 стр.
25. Злобин В.К., Еремеев В.В. Обработка аэрокосмических изображений. М., Физматлит, 2006, 304 с.