DE102010020785A1

DE102010020785A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Erkennen von magnetisch markierten Mikroobjekten

Info

Publication number: DE102010020785A1
Application number: DE102010020785A
Authority: DE
Inventors: Dr. Hiltawsky Karsten; Dr. Weiß Roland
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-05-18
Filing date: 2010-05-18
Publication date: 2011-11-24
Also published as: WO2011144535A1; KR20130118744A; CN103003411A; US20130063141A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erkennen von magnetisch markierten Mikroobjekten, insbesondere biologischen Mikroobjekten, vorzugsweise Tumorzellen, die einen Träger (2) für zumindest ein Mikroobjekt (O), ein Mittel (1a, 1b) zum Beaufschlagen eines Bereichs (S) mit einem magnetischen Gradientenfeld, wobei das Gradientenfeld zumindest eine Nullstelle (3) aufweist, ein Mittel zum Beaufschlagen des Mikroobjektes (O) mit einem Hochfrequenz-Magnetfeld, insbesondere am Ort der Nullstelle (3), ein Mittel zur relativen Bewegung von Träger (2) und Bereich (S) zueinander, ein Mittel (4b) zum Empfangen einer Änderung eines magnetischen Flusses durch das Mikroobjekt (O), ein Mittel (M) zum Auswerten der empfangenen Änderung des magnetischen Flusses und zum Erkennen der Position des Mikroobjektes (O) sowie ein Mittel (M1) zum insbesondere automatischen Analysieren des Mikroobjektes (O) umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erkennen von magnetisch markierten Mikroobjekten, insbesondere Tumorzellen sowie ein entsprechendes Verfahren.
Mikroobjekte, wie beispielsweise Tumorzellen, werden für deren Erkennung bzw. Lokalisierung mit magnetischen Mikro- oder Nanopartikeln versehen. Um diese nun von gesunden Zellen unterscheiden zu können, müssen diese aufgrund der zu erwartenden geringen Konzentration der markierten Zellen in einem Medium, beispielsweise Blut, mit einem hochauflösenden Verfahren erkannt werden.
Hierbei ist aus einer Referenz bekannt, eine Detektion von Tumorzellen über ein mehrstufiges Verfahren zu ermöglichen. Hierzu wird eine Blutprobe eines Patienten zunächst von roten Blutkörperchen befreit, d. h. hämolysiert. Anschließend werden mögliche Tumorzellen magnetisch markiert und angereichert. Die Zellen werden dann gegen bestimmte Antigene bzw. Zellkernbestandteile fluoreszierend eingefärbt, so dass Tumorzellen von Leukozyten mittels einer Fluoreszenzanalyse unterschieden werden können. Durch die vorgenannten Verarbeitungsschritte kommt es jedoch häufig zum Zerplatzen von Zellen, so dass die Zellbestandteile der zerplatzten Zellen verschmiert werden und nicht mehr identifizierbar sind.
Dieses Verfahren erfordert eine aufwendige und kostenintensive Vorbereitung für die Analyse der Tumorzellen. Aufgrund der geringen Konzentration im Blut müssen diese aufwendig angereichert werden, um eine Detektion zu ermöglichen. Gleichzeitig werden durch diese Verarbeitungsschritte häufig Zellen zerstört, was eine Erkennung von Tumorzellen erschwert.
Vorteile der Erfindung
Die Vorrichtung gemäß dem Anspruch 1 sowie das Verfahren gemäß dem Anspruch 10 weisen den Vorteil auf, dass keine aufwendige Vorbereitung oder Aufbereitung für ein Erkennen der Mikroobjekte notwendig ist. Das Verfahren bzw. die Vorrichtung ermöglicht eine hohe Anzahl von Mikroobjekten zu untersuchen und zu detektieren bei gleichzeitiger hoher Auflösungs- und Datengeschwindigkeit, was insgesamt ein einfacheres, schnelleres und kostengünstigeres Verfahren bzw. Vorrichtung ermöglicht.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst der Träger eine Beschichtung zur Steigerung des Reibwertes, insbesondere Polylysin. Der Vorteil dabei ist, dass Mikroobjekte, die erkannt werden sollen, auf dem beschichteten Träger bei Beschleunigung des Trägers in ihrer Position verharren. Der Träger kann somit schneller bewegt werden, insbesondere können Richtungsänderungen schneller durchgeführt werden, ohne dass sich die Position der Mikroobjekte signifikant ändert. Dies ermöglicht ein schnelleres Erkennen von den magnetisch markierten Mikroobjekten.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfassen die Mittel zur Analyse einen Mikromanipulator zum Aufnehmen des Mikroobjektes. Der Vorteil hierbei ist, dass somit auf einfache und schnelle Weise nach dem Erkennen der Position des Mikroobjektes dieses ohne Beschädigung aufgenommen und zur Analyse an eine Analysevorrichtung transportiert werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfassen die Mittel zur Analyse optische Mittel, insbesondere ein Mikroskop. Der Vorteil hierbei ist, dass damit die Zuverlässigkeit der Analyse des Mikroobjektes erhöht wird, da zusätzlich eine Kontrolle der erkannten magnetisch markierten Mikroobjekte auf optischem Weg erfolgt. Weiterhin kann, wenn die optischen Mittel ein Mikroskop umfassen, ein Labortechniker zusätzlich das magnetisch markierte und erkannte Mikroobjekt selbst nochmals optisch untersuchen, so dass die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Analyse des Mikroobjektes weiter erhöht wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfassen die Mittel zur relativen Bewegung Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes zur Verschiebung des magnetischen Gradientenfeldes. Der Vorteil hierbei ist, dass keine zusätzlichen mechanischen Komponenten für die relative Bewegung von den Mitteln zum Beaufschlagen des Mikroobjektes mit einem magnetischen Gradientenfeld und dem Träger sowie den Mitteln zum Empfangen einer Änderung eines magnetischen Flusses vorgesehen werden müssen, was einerseits die Zuverlässigkeit der Vorrichtung weiter erhöht, andererseits die Kosten für die Vorrichtung reduziert.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Träger als rotierbare Scheibe oder rechteckförmige Platte, insbesondere aus Glas, ausgebildet. Der Vorteil hierbei ist, dass damit einfache und kostengünstige Träger zur Verfügung stehen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die Mittel zum Beaufschlagen des Objektes mit einem Hochfrequenz-Magnetfeld und die Mittel zum Empfangen einer Änderung eines magnetischen Flusses gemeinsam auf einer Seite des Trägers angeordnet. Der Vorteil hierbei ist, dass damit der Platzbedarf für die Vorrichtung wesentlich sinkt und diese auf diese Weise kompakter ausgeführt werden kann. Gleichzeitig erhöht sich die Flexibilität der Vorrichtung, da zusätzliche Bauteile im Bereich des Trägers auf der der Mittel zum Beaufschlagen und der Mittel zum Empfangen abgewandten Seite angeordnet werden können.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind die Mittel zum Beaufschlagen des Objektes mit einem Hochfrequenz-Magnetfeld und die Mittel zum Empfangen einer Änderung eines magnetischen Flusses koaxial um eine gemeinsame Achse angeordnet. Der Vorteil hierbei ist, dass der Platzbedarf für die Vorrichtung zum Erkennen von magnetisch markierten Mikroobjekten noch weiter reduziert wird und gleichzeitig die Flexibilität der Vorrichtung noch weiter gesteigert wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Dabei zeigt:
1 ein Prinzipschaubild einer Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ein Prinzipschaubild einer Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ein Prinzipschaubild einer Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 Sende- und Empfangsspule einer Vorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 Verfahrensschritte eines Verfahrens gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
1 zeigt ein Prinzipschaubild einer Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 1 bezeichnen Bezugszeichen 1a, 1b ein Mittel zum Erzeugen eines magnetischen Gradientenfeldes. Dabei sind die Mittel 1a, 1b gemäß 1 in Form von Magneten übereinander angeordnet und durch einen Spalt S voneinander beabstandet. An den jeweils dem Spalt S zugewandten Seiten der Magneten 1a, 1b sind Sendespulen 4a und direkt benachbart zum Spalt S Empfangsspulen 4b angeordnet. Die Sendespulen 4a dienen dazu, ein Hochfrequenzsignal auszusenden, um ein Mikroobjekt O auf dem in Form einer rotierbaren Scheibe angeordneten Träger 2 zu beaufschlagen. Die Scheibe 2 ist um eine Achse 2A rotierbar und ragt mit einem Teilbereich B ihrer Oberfläche in den Spalt S zwischen den Magneten 1a, 1b und den Sendespulen 4a und den Empfangsspulen 4b hinein. Das magnetische Gradientenfeld umfasst dabei einen magnetfeldfreien Punkt 3, der in der Ebene der rotierbaren Scheibe 2 bzw. der Mikroobjekte O auf der rotierbaren Scheibe 2 angeordnet ist. Im magnetfeldfreien Punkt 3, der real im Wesentlichen einem sehr kleinen elliptisch geformten feldfreien Bereich entspricht, erfährt das Mikroobjekt O durch Hochfrequenzsignale der Sendespulen 4a eine Ummagnetisierung, die von den Empfangsspulen 4b gemessen werden kann. Damit kann beispielsweise eine Tumorzelle hinsichtlich ihrer Position auf dem Träger 2 hinreichend genau bestimmt werden.
Um sämtliche Mikroobjekte O auf der rotierbaren Scheibe 2 untersuchen zu können, ist die Scheibe rotierbar um eine Achse 2A ausgebildet, die – wie vorstehend bereits beschrieben – mit einem Teilbereich B in den Spalt S zwischen den Magneten 1a, 1b sowie den Sende- und Empfangsspulen 4a, 4b hineinragt. Um nun sämtliche Mikroobjekte O auf der Oberfläche der rotierenden Scheibe 2 erfassen zu können, wird der magnetfeldfreie Punkt 3 mittels eines Magneten 5, dessen Magnetfeldstärke und/oder Position zu den Magneten 1a, 1b bzw. der Achse 2A variiert werden kann, senkrecht zur Achse 2A der rotierenden Scheibe 2 entsprechend seiner Magnetfeldstärke verschoben. Durch eine Rotation der Scheibe 2 und ein Verschieben des magnetfeldfreien Punktes 3 mittels des Magnetfeldes des Magneten 5 können sämtliche Bereiche der Oberfläche der Scheibe 2 mit dem magnetfeldfreien Punkt 3 mit dem Hochfrequenzfeld, welches von den Sendespulen 4a erzeugt wird, nacheinander beaufschlagt werden.
2 zeigt ein Prinzipschaubild einer Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 2 ist im Wesentlichen ein analoger Aufbau der Vorrichtung gemäß 1 gezeigt. Im Unterschied zu 1 ist nun anstelle des Magneten 5 mit entsprechendem Magnetfeld zur Verschiebung des magnetfeldfreien Punktes 3 die Achse 2A der rotierenden Scheibe 2 in Richtung R verschieblich angeordnet. Der magnetfeldfreie Punkt 3 ist nun ortsfest. Durch Verschiebung der Achse 2A in horizontaler Richtung R kann der Teilbereich B der rotierenden Scheibe 2, der in den Spalt S hineinragt, verschoben werden. Auf diese Weise ist es ebenfalls möglich, sämtliche Bereiche der Oberfläche der rotierenden Scheibe 2, auf der sich Mikroobjekte O befinden, mit dem magnetfeldfreien Punkt 3 und selbstverständlich mit dem Hochfrequenzfeld der Sendespulen 4a zu beaufschlagen. Weiterhin sind in 2 – wie auch in den 1 und 3 die Empfangsspulen 4b mit Auswerteeinrichtungen M verbunden. Die Auswerteeinrichtung M wertet die aufgenommene Änderung des magnetischen Flusses des Mikroobjektes O aus und bestimmt daraus seine jeweilige Position. Diese Auswerteeinrichtung M kann so ausgebildet sein, dass diese ein optisches Bild der Umgebung des feldfreien Punktes 3 aufnehmen und auswerten kann. Des Weiteren ist die Auswerteeinrichtung M mit einer Analyseeinrichtung M₁ verbunden. Die Analyseeinrichtung M₁ umfasst dabei einen Mikromanipulator 22, um das erkannte Mikroobjekt O aufnehmen zu können und der Analyseeinrichtung M₁ zur weiteren Analyse zuführen zu können.
3 zeigt ein Prinzipschaubild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 3 ist im Unterschied zu den 1 und 2 anstelle der rotierenden Scheibe 2 eine rechteckförmige Platte 2 angeordnet. Die rechteckförmige Platte ragt dabei mit einem Teilbereich B ihrer Oberfläche, auf der sich die Mikroobjekte O befinden, in den Spalt S zwischen den Magneten 1a, 1b sowie der Sende- und Empfangsspulen 4a, 4b hinein. Die Platte 2 ist entlang ihrer jeweiligen Kanten in Richtungen R₁, R₂ verschieblich angeordnet, so dass der magnetfeldfreie Punkt 3 durch Verschiebung der Platte 2 entlang der Richtungen R₁ und/oder R₂ jeden Punkt der Oberfläche der Platte 2 beaufschlagen kann und so alle Mikroobjekte O auf der Oberfläche der Platte 2 erkannt werden können. Zur Bewegung der Platte 2 können übliche Mittel verwendet werden, beispielsweise Linearmotoren, Getriebe, etc.
4 zeigt Sende- und Empfangsspulen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform.
In 4 bezeichnen die Bezugszeichen – wie auch in den 1 bis 3 – 4a, 4b – Sende- bzw. Empfangsspule. Im Unterschied zu den 1 bis 3 sind die Sende- und Empfangsspulen 4a, 4b koaxial um eine gemeinsame Achse 20 angeordnet. Der Aufbau von außen nach innen ist wie folgt:
Auf der Außenseite ist eine kreisförmige Sendespule 4a angeordnet, die durch einen Zwischenraum Z von einer weiteren Sendespule 4a' beabstandet und koaxial zu dieser angeordnet ist. Dabei wird das Gradientenfeld mittels Strömen in den Spulen 4a, 4a' erzeugt, die entgegengesetzten zueinander in der jeweiligen Sendespule um die Achse 20 fließen. Auf der Innenseite der Spule 4a' ist eine Empfangsspule 4b koaxial angeordnet. Diese dient dazu, die durch ein Hochfrequenzfeld in den Mikroobjekten O erzeugte Magnetfeldänderung zu messen.
5 zeigt Verfahrensschritte eines Verfahrens gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Erkennen von magnetisch markierten Mikroobjekten.
Dabei werden die folgenden Schritte durchgeführt:
Erzeugen S₁ eines magnetischen Gradientenfeldes, wobei das Gradientenfeld zumindest eine Nullstelle 3 umfasst,
Relatives Bewegen S₂ eines Mikroobjektes O auf einem Träger 2 und Nullstelle 3 zueinander, wobei das relative Bewegen S₂ des Mikroobjektes O und Nullstelle 3 mittels Erzeugen S₆ eines weiteren Magnetfeldes erfolgt,
Erzeugen S_1a eines Hochfrequenz-Magnetfeldes zum Beaufschlagen des Objektes O, insbesondere am Ort der Nullstelle 3,
Empfangen S₃ einer Änderung des magnetischen Flusses durch das Mikroobjekt O,
Auswerten S₄ der empfangenen Änderung des magnetischen Flusses sowie Erkennen der Position und/oder Art des Mikroobjektes O,
Analysieren S₅, insbesondere automatisch, des Mikroobjektes O.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.

Claims

Vorrichtung zum Erkennen von magnetisch markierten Mikroobjekten, insbesondere biologischen Mikroobjekten, vorzugsweise Tumorzellen, umfassend: einen Träger (2) für zumindest ein Mikroobjekt (O), Mittel (1a, 1b) zum Beaufschlagen eines Bereichs (S) mit einem magnetischen Gradientenfeld, wobei das Gradientenfeld zumindest eine Nullstelle (3) aufweist, Mittel zum Beaufschlagen des Mikroobjektes (O) mit einem Hochfrequenz-Magnetfeld, insbesondere am Ort der Nullstelle (3), Mittel zur relativen Bewegung von Träger (2) und Bereich (S) zueinander, Mittel (4b) zum Empfangen einer Änderung eines magnetischen Flusses durch das Mikroobjekt (O), Mittel (M) zum Auswerten der empfangenen Änderung des magnetischen Flusses und zum Erkennen der Position des Mikroobjektes (O) sowie Mittel (M₁) zum insbesondere automatischen Analysieren des Mikroobjektes (O).
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Träger (2) eine Beschichtung zur Steigerung des Reibwertes, insbesondere Polylysin umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Mittel (M₁) zum Analysieren einen Mikromanipulator (22) zum Aufnehmen des Mikroobjektes (O) umfassen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Mittel (M₁) zum Analysieren optische Mittel, insbesondere ein Mikroskop, umfassen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Mittel (5) zur relativen Bewegung Mittel (5) zur Erzeugung eines Magnetfeldes zur Verschiebung der Nullstelle (3) umfassen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Träger (2) als rotierbare Scheibe oder rechteckförmige Platte, insbesondere aus Glas, ausgebildet ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei zumindest die Mittel (4a) zum Beaufschlagen des Objektes (O) mit einem Hochfrequenz-Magnetfeld und die Mittel (4b) zum Empfangen einer Änderung eines magnetischen Flusses auf einer Seite des Trägers (2) angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Mittel (4a) zum Beaufschlagen des Objektes mit einem Hochfrequenz-Magnetfeld und die Mittel (4b) zum Empfangen koaxial um eine gemeinsame Achse (20) angeordnet sind.
Verfahren zum Erkennen von magnetisch markierten Mikroobjekten (O), insbesondere biologischen Mikroobjekten, vorzugsweise Tumorzellen, umfassend die Schritte: Erzeugen (S₁) eines magnetischen Gradientenfeldes, wobei das Gradientenfeld zumindest eine Nullstelle (3) umfasst, Relatives Bewegen (S₂) eines Mikroobjektes (O) auf einem Träger (2) und Nullstelle (3) zueinander, Erzeugen (S_1a) eines Hochfrequenz-Magnetfeldes zum Beaufschlagen des Objektes (O), insbesondere am Ort der Nullstelle (3), Empfangen (S₃) einer Änderung des magnetischen Flusses durch das Mikroobjekt (O), Auswerten (S₄) der empfangenen Änderung des magnetischen Flusses sowie Erkennen der Position und/oder Art des Mikroobjektes (O), Analysieren (S₅), insbesondere automatisch, des Mikroobjektes (O).
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei das Analysieren (S₅) mittels optischer Mittel (M₁), insbesondere mittels eines Mikroskops, erfolgt.
Verfahren gemäß zumindest Anspruch 9, wobei das relative Bewegen (S₂) des Mikroobjektes (O) und Nullstelle (3) mittels Erzeugen (S₆) eines weiteren Magnetfeldes erfolgt.