К радужному портативному цитофону с лазерными диодами для глобальной диагностики заболеваний

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 8671 (2022) Цитировать эту статью

Доступы 1908 г.

2 цитаты

16 Альтметрика

Подробности о метриках

In vivo Cytophone продемонстрировал возможность ранней диагностики рака, инфекций и сердечно-сосудистых заболеваний посредством фотоакустического обнаружения циркулирующих маркеров заболеваний непосредственно в кровотоке с беспрецедентным 1000-кратным улучшением чувствительности. Тем не менее, срочно необходим цитофон с более высокой специфичностью и портативностью. Здесь мы представляем новую платформу Cytophone, которая объединяет миниатюрную многоспектральную матрицу лазерных диодов, цветовое кодирование во времени и высокоскоростную обработку сигналов с временным разрешением. С помощью двухцветных (808 нм/915 нм) лазерных диодов продемонстрирована спектральная идентификация белых и красных сгустков, клеток меланомы и гемозоина в инфицированных малярией эритроцитах на фоне крови и артефактах. Данные, полученные на мышиной модели Plasmodium yoelii и культивированном человеческом P. falciparum, были проверены in vitro с помощью конфокальной фототермической и флуоресцентной микроскопии. С помощью этих методов мы обнаружили инфицированные клетки уже через 4 ч после инвазии, что делает гемозоин перспективным в качестве спектрально-селективного маркера на самых ранних стадиях прогрессирования малярии. Наряду с результатами нашего предыдущего применения Цитофона с обычными лазерами для диагностики меланомы, бактериемии, серповидной анемии, тромбоза, инсульта и аномальных форм гемоглобина, это нынешнее открытие предполагает потенциал для разработки портативного радужного цитофона с мультиспектральным лазером. диоды для выявления этих и других заболеваний.

Значительный прогресс достигнут в диагностике заболеваний с использованием современных лазеров1. Среди различных лазерных методов фотоакустические (ПА) методы показали преимущества по чувствительности, неинвазивности и глубине проникновения в биоткани до 3–5 см2,3,4. Несколько устройств визуализации PA продемонстрировали многообещающие клинические результаты in vivo на людях, в том числе при оценке состояния болезни Крона5, диагностике рака молочной железы6,7 и мониторинге оксигенации крови в яремных венах8. Диагностика этих и многих других заболеваний часто начинается с исследования крови пациента; однако существующие анализы крови не могут обеспечить раннюю диагностику, поскольку их чувствительность ограничена небольшим объемом собираемой крови (обычно 5–10 мл для венозных и несколько мкл для капиллярных образцов), что пропускает до 103–104 аномальных клеток. или биомаркеры во всем объеме крови (~5 л у взрослых)9. Эта большая часть пропущенных клеток может привести к прогрессированию заболевания, которое слишком сложно лечить, например, к метастазам, сепсису или инсульту, вызванному циркулирующими опухолевыми клетками (ЦОК), бактериями и тромбами соответственно9,10. В частности, несмотря на огромные усилия по разработке разнообразных тестов ЦОК, они пока не рекомендуются для клинического использования из-за их низкой чувствительности, противоречивых данных и, как следствие, имеют неясную диагностическую ценность, особенно для ранней диагностики заболеваний10,11. Кроме того, большинство существующих методов ПА, особенно ПА-визуализации, не способны обнаружить быстро движущиеся циркулирующие биомаркеры заболеваний с типичными скоростями от 5 до 10 см/с, даже если они присутствуют в подкожных сосудах, что еще больше ограничивает их полезность10.

Эти ограничения можно устранить, оценивая большие объемы крови in vivo, используя принцип проточной цитометрии in vivo с флуоресцентными, фототермическими (ПТ), рамановскими и особенно ПА методами обнаружения и их комбинациями11,12,13. Среди этих методов проточная цитометрия PA in vivo (PAFC) продемонстрировала клиническую значимость для прямого обнаружения в кровотоке бактерий (например, S. aureus и E. coli), сгустков, серповидных клеток, экзосом, различных форм гемоглобина (Hb ) (например, окси-, дезокси- и мета-Hb), наночастицы (НЧ) и ЦОК с использованием собственного (например, меланина, Hb, HC [гемозоина], цитохромов, каротиноидов) или искусственного (например, НЧ золота) ПА контрастные вещества9,12,14,15,16,17,18,19,20. В ходе клинического исследования PAFC продемонстрировал беспрецедентное улучшение чувствительности примерно в 1000 раз по сравнению с существующими диагностическими методами обнаружения ЦОК, сгустков и эмболий ЦОК-тромбами у пациентов с меланомой in vivo21. Мы также продемонстрировали, что in vivo PAFC может обнаруживать циркулирующие мышиные клетки, инфицированные малярией, на животной модели при уровне паразитемии 0,0000001%14,15.