Röda blodkroppar (RBC) transporterar syre genom hela kroppen och kan passera genom ett komplex av smala kapillärer på grund av deras förmåga att deformeras. "RBC:s deformerbarhet är en viktig indikator på deras hälsa och funktion, och förändringar i denna egenskap kan signalera förekomsten av sjukdomar", säger docent Ye Ai vid Singapore University of Technology and Design (SUTD).
Att förbättra nuvarande tekniker för att mäta RBC-deformerbarhet erbjuder fördelar vid sjukdomsdetektering. Genom att tidigt kunna upptäcka förändringar i RBC-deformerbarhet kan patienter diagnostiseras och behandlas tidigare, vilket förbättrar deras prognos. Förfinade mätverktyg kommer också att hjälpa forskare att bättre förstå RBC-deformerbarhet och dess mekanismer, vilket kan leda till nya terapier.
"Sammantaget kan en förbättring av hur RBC-deformerbarhet mäts leda till bättre diagnostiska verktyg, förbättrad övervakning av sjukdomsprogression och mer effektiva behandlingar," tillade Assoc Prof Ai, som ledde en studie som utvecklade den bildbaserade RBC Deformability Assessment via Shape-classification (IRIS)-teknik.
I artikeln "Intelligent bildbaserad deformerbarhetsbedömning av röda blodkroppar via dynamisk formklassificering" presenterar Assoc Prof Ai och hans team IRIS som ett nytt tillvägagångssätt som kan bedöma RBC-deformerbarhet genom att klassificera formen på en RBC som passerar genom en kanal. Studien är publicerad i tidskriften Sensors and Actuators B:Chemical .
IRIS använder djupinlärning och fungerar i fyra steg:mikrofluidisk installation, bildinsamling, formklassificering och bedömning av deformerbarhet.
RBC introduceras först i en mikrofluidisk kanal som efterliknar ett blodkärls naturliga miljö, och de blir deformerade. Bilder av de passerande röda blodkropparna fångas sedan av en höghastighetskamera och bearbetas av en djupinlärningsmodell som är tränad att identifiera och klassificera röda blodkroppar i sex fördefinierade former som representerar olika tillstånd av deformation av röda blodkroppar.
Slutligen bedöms frekvensen och typen av varje form under olika förhållanden. Detta ger kvantitativa data om RBC-deformerbarhet som kan användas för att kontrollera behandlingens effekter på RBC-hälsan och funktionalitet.
Även om IRIS inte är den första tekniken för att mäta RBC-deformerbarhet, erbjuder dess mikrofluidikbaserade teknik många fördelar jämfört med traditionella tekniker som optisk pincett och atomkraftsmikroskopi. Med mikrofluidik producerar IRIS en mycket högre genomströmning än traditionella encellsbaserade tekniker, men kan automatiseras och förenklas, vilket minskar manuellt arbete av utbildade operatörer.
Mikrofluidiska enheter kräver mycket mindre provvolymer och är mer kostnadseffektiva jämfört med utrustning som behövs i traditionella tekniker. Dessutom är mikrofluidiska system lätt integrerade i andra verktyg och skalbara för massproduktion. Dessa fördelar gör sådana system mycket fördelaktiga i utbredda kliniska och forskningsmiljöer.
Mikrofluidik möjliggör också exakt kontroll av flödesförhållandena i kanalerna, vilket möjliggör detaljerade studier av RBC-beteende i olika användarkontrollerade miljöer. Det viktigaste är att mikrofluidtekniker involverar mindre cellmanipulation, vilket minskar risken för att artificiellt förändra cellens naturliga tillstånd, vilket kan hända när atomkraftsmikroskopi och optisk pincett används.
En annan betydande fördel med IRIS är dess klassificering av fyra former (4SC). Att använda 4SC jämfört med nollform (0SC) eller tvåformsklassificering (2SC) resulterar i högre känslighet på grund av ökad upplösning av deformationstillstånd, bättre statistisk kraft och förbättrad formigenkänningsnoggrannhet.
I huvudsak klassificerar 4SC RBC i fyra former som inkluderar mellanliggande deformationstillstånd. Detta ger en mer förfinad bild av RBC-deformerbarhet jämfört med att endast klassificera RBC i två former (2SC) eller ingen (0SC).
IRIS presenterar flera fördelar för användning i kliniska, terapeutiska och forskningsmiljöer. Att få detaljerad information om RBC-deformerbarhet möjliggör tidig upptäckt och diagnos av sjukdomar, samtidigt som det tillåter personliga behandlingsplaner för varje patient.
Som en metod med hög genomströmning är IRIS också användbar vid drogtester där stora mängder data genereras. Slutligen, teknologins förmåga att exakt modifiera RBC:s miljö i kombination med dess höga känslighet gör det möjligt för forskare att studera RBC-egenskaper under olika förhållanden, vilket förbättrar forskning och klinisk kapacitet.
Assoc Prof Ai strävar efter att utöka och förfina IRIS-teknologin och att validera dess resultat med kliniska resultat. Dessutom tittar han på att skapa en bärbar IRIS för att öka dess tillgänglighet och tillämpningsområde. Sammantaget förutser han att IRIS kommer att bli ett pålitligt, effektivt och tillgängligt diagnostiskt verktyg på lång sikt.
Mer information: Minhui Liang et al, Intelligent bildbaserad deformerbarhetsbedömning av röda blodkroppar via dynamisk formklassificering, Sensorer och ställdon B:Chemical (2023). DOI:10.1016/j.snb.2023.135056
Tillhandahålls av Singapore University of Technology and Design
