【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开内容涉及分析分析物中生理状况的系统和方法。特别地，本公开内容涉及使用超极化(hp)和磁共振(mr)技术分析分析物中生理状况的系统、这种系统中的部件和方法。
技术介绍
1、超极化增强磁共振(mr)技术，诸如动态核极化(dnp)，显示出将mr扫描的灵敏度提高超过10,000倍，从而允许在各种类型的样品和分析物中进行原位代谢组学分析。
2、目标或分析物的实例包括人类或动物器官和组织的健康和患病细胞、人类或动物细胞(或细胞片段)、类器官、来自人类或动物的体液和整个动物，以及来自蔬菜的细胞和体液。必须理解的是，我们所指的动物是指诸如包括但不限于人类，也包括动物类，例如大鼠、兔子、猪和小鼠等的动物。
3、传统细胞培养方法多年来一直很有价值，因为它们提供了一种研究细胞间相互作用和组织生理学而无需使用实验室动物或人类受试者的方法。传统细胞培养面临的主要障碍之一是细胞的形态和空间构型。为了使细胞在培养中存活，它们被接种在经过处理的培养容器(瓶子和盘子)中，以迫使它们附着在底部，对于特定细胞类型改变其形态及其功能。
4、本公开内容的一个目的是开发一种非侵入性平台，该平台能够使用hp和mr技术实时获取和分析三维分析物构型中与生理状况有关的代谢数据，特别适用于药物毒性研究和/或临床诊断。该新型平台的非侵入属性为一些传统方法无法实现的研究提供了可能性，并将推动功能性个体特异性药物测试系统的开发。
5、在本专利申请中，生理状况是指目标/分析物的健康或不健康(或疾病)状态以及从健康到不健康(或疾病)的任何
技术实现思路
1、因此，在第一个主要实例中，使用超极化(hp)核磁共振(nmr)确定至少一种分析物中的生理状况的系统被使用，其中该系统至少由以下部件组成：
2、超极化(hp)制备设备，其被构造为使底物试剂超极化；
3、微流体装置，其设置有至少一个测量腔室，该测量腔室被构造为容纳含有分析物的样品基体，该微流体装置被构造为向容纳在样品基体中的至少一种分析物中灌注已超极化的底物试剂；
4、nmr设备，其至少包括外壳，该外壳限定了用于至少容纳具有已超极化的底物试剂的分析物的目标区域，以及用于在使用期间在目标区域中施加一个或多个磁场梯度的至少一个磁体单元和至少一个磁梯度单元，以及用于向目标区域施加一组或多组rf脉冲的至少一个射频(rf)脉冲发生单元，和用于获取信号的rf接收单元；和
5、用于通过分析所获取的信号来确定分析物中的生理状况的计算机处理单元。
6、通过这个实例，创建了一个通用平台，其能够以非侵入性的方式使用hp和mr技术实时获取和分析涉及分析物中的生理状况的代谢数据。例如，通过这个平台，可以实现更先进的功能性、个人特异性的药物测试系统的开发。
7、在该平台的优选实施方式中，nmr设备被构造为在其目标区域中容纳微流体装置，其中样品基体包含已超极化的底物试剂，并且分析物容纳在其测量腔室中。因此，这允许更标准化和可重复的分析技术，其能够以批量和在线方式处理和管理含有已超极化的底物试剂的相同或不同分析物的多个样品。
8、在系统的进一步实例中，超极化(hp)制备设备可以是动态核极化(dnp)设备或仲氢诱导极化(phip)设备。在系统的进一步实例中，超极化(hp)制备设备可包括化学诱导动态核极化(cidnp)设备、overhauser dnp(动态核极化)设备、可逆交换信号放大(sabre)设备或自旋交换光泵浦(seop)设备。
9、在实例中，构造为使底物试剂超极化的超极化(hp)制备设备可包括诸如但不限于以下的设备：动态核极化(dnp)设备、仲氢诱导极化(phip)设备、化学诱导动态核极化(cidnp)装置、overhauser dnp(动态核极化)设备、可逆交换信号放大(sabre)设备或自旋交换光泵浦(seop)设备。
10、在本文所述方法的实例中，超极化步骤可以诸如但不限于以下的超极化方法：d-dnp(溶解性动态核极化)；phip(仲氢诱导极化)；cidnp(化学诱导动态核极化)；sabre(可逆交换信号放大)；和seop(自旋交换光泵浦)。
11、为了模拟测试分析物的生理相关细胞微环境，至少一个测量腔室与基体灌注供应管线、已超极化的底物试剂供应管线以及腔室出口管线流体连通，基体灌注供应管线用于向测量腔室供应基体灌注介质，已超极化的底物试剂供应管线用于向测量腔室供应已超极化的底物试剂。微流体装置的这种配置保证了分析物(诸如细胞)的适当环境。测量腔室用作维持温度和气体成分稳定的环境的笼式温育器，并为实施根据本公开内容的方法提供必要的无菌条件。
12、特别地，已超极化的试剂供应管线相对于测量腔室的底壁位于基体灌注供应管线位置上方的位置，并且相对于测量腔室的底壁，腔室出口管线位于比已超极化的底物试剂供应管线更低的位置并且位于比基体灌注供应管线更高的位置。优选地，基体灌注供应管线位于测量腔室的底壁处。
13、因此，允许基体灌注介质(培养基)通过测量腔室的连续流动，以及用于待分析的分析物的已超极化的底物试剂的注射。
14、优选地，微流体装置包括温度控制单元，其用于当容纳在nmr设备中时将具有已超极化的底物试剂的分析物维持在体温。由此，实现并维持了模拟人体或动物身体的最佳测量条件。在一个特定实例中，温度控制单元包括水循环回路。
15、在优选的实例中，为了建立标准化和可重复的分析技术，能够以批量和在线方式处理和处置具有已超极化的底物试剂的相同或不同分析物的多个样品，微流体装置设置有多个测量腔室，每个测量腔室与已超极化的试剂供应管线流体连接。因此，使得所有含有分析物(具有分析物的样品基体)的测量腔室能够接收相同量的已超极化的底物试剂。
16、根据本公开内容，该系统旨在实时获取和分析与分析物中生理状况有关的代谢数据。为了实时处理如此大量的数据，并提供更有效、更准确且不易受噪声影响的分析技术，系统的计算机处理单元构造为使用一种或多种机器学习算法来分析至少获取到的信号。
17、优选地，机器学习算法是计算机实施的人工神经网络，并且其中计算机处理单元还包括训练单元，该训练单元配置为利用随时间变化的信号序列来训练计算机实施的人工神经网络，其表征了在具有已超极化的底物试剂的分析物中已知生理状况下随时间变化的信号的训练序列；并且配置为将输入信号序列应用于计算机实施的人工神经网络，其至少表征了在具有已超极化的底物试剂的分析物中未知生理状况下随时间变化的信号的测试序列；并且配置为分析随时间变化的信号的每个应用的的测试序列，以针对随时间变化的信号的每个测试序列生成具有已超极化的底物试剂的分析物中的预测生理状况。
18、本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于使用超极化(HP)核磁共振确定至少一种分析物中的生理状况的系统，所述系统至少包括：
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述超极化(HP)制备设备是超极化器设备，例如，动态核极化(DNP)设备或仲氢诱导的极化(PHIP)设备。
3.根据前述权利要求中的任一项或多项所述的系统，其中所述至少一个测量腔室与用于向所述测量腔室供应基体灌注介质的基体灌注供应管线、用于向所述测量腔室供应所述已超极化的底物试剂的已超极化的底物试剂供应管线和腔室出口管线流体连通，其中优选地，所述已超极化的底物供应管线相对于所述测量腔室的底壁位于所述基体灌注供应管线的位置上方的位置。
4.根据权利要求3所述的系统，其中相对于所述测量腔室的底壁，所述腔室出口管线位于比所述已超极化的底物供应管线更低的位置并且位于比所述基体灌注供应管线更高的位置，并且其中优选地，所述基体灌注供应管线位于所述测量腔室的底壁上。
5.根据前述权利要求中任一项或多项所述的系统，其中所述微流体装置包括温度控制单元，其用于当容纳在所述NMR设备中时至少将具有所述已超极化的底物试剂的分析物
6.根据前述权利要求中任一项或多项所述的系统，其中所述计算机处理单元被构造为使用一个或多个机器学习算法来分析至少所获取的信号。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述机器学习算法是计算机实施的人工神经网络，并且其中所述计算机处理单元还包括训练单元，所述训练单元配置为：
8.一种用于使用根据前述权利要求中任一项或多项所述的系统确定具有已超极化的底物试剂的分析物中的生理状况的方法，所述方法包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述的方法，其中步骤f)的所述时频变换选自由傅里叶变换例示但不限于其的组。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述一种或多种机器学习算法选自由人工神经网络、决策树、回归模型、k-最近邻模型、偏最小二乘模型、支持向量机或集成以定义算法的模型的集合例示但不限于其的组。
11.根据权利要求8-10中任一项所述的方法，其中所述机器学习算法是计算机实施的人工神经网络，并且其中分析步骤g)之前是以下步骤：
12.根据权利要求8-11中任一项所述的方法，其中所述接收步骤b)之前是以下步骤：
13.根据权利要求9-12中任一项所述的方法，其中在步骤b)之后，但在步骤c)之前，所述方法进一步包括以下步骤：b1)将具有已超极化的底物试剂的分析物保持在体温。
14.根据权利要求1-7中任一项所述的系统，其中所述样品基体形成为包括开放孔的三维构建体，并且其中所述构建体是至少包含羧甲基纤维素钠的凝胶。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述凝胶至少包括0.5-5％(wt.)的羧甲基纤维素钠，特别地1％(wt.)的羧甲基纤维素钠和/或其中所述凝胶适于冷冻保存。
16.根据权利要求8-13中任一项所述的方法，其中所述样品基体形成为包括开放孔的三维构建体，并且其中所述构建体是至少包含羧甲基纤维素钠的凝胶。
...【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种用于使用超极化(hp)核磁共振确定至少一种分析物中的生理状况的系统，所述系统至少包括：
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述超极化(hp)制备设备是超极化器设备，例如，动态核极化(dnp)设备或仲氢诱导的极化(phip)设备。
3.根据前述权利要求中的任一项或多项所述的系统，其中所述至少一个测量腔室与用于向所述测量腔室供应基体灌注介质的基体灌注供应管线、用于向所述测量腔室供应所述已超极化的底物试剂的已超极化的底物试剂供应管线和腔室出口管线流体连通，其中优选地，所述已超极化的底物供应管线相对于所述测量腔室的底壁位于所述基体灌注供应管线的位置上方的位置。
4.根据权利要求3所述的系统，其中相对于所述测量腔室的底壁，所述腔室出口管线位于比所述已超极化的底物供应管线更低的位置并且位于比所述基体灌注供应管线更高的位置，并且其中优选地，所述基体灌注供应管线位于所述测量腔室的底壁上。
5.根据前述权利要求中任一项或多项所述的系统，其中所述微流体装置包括温度控制单元，其用于当容纳在所述nmr设备中时至少将具有所述已超极化的底物试剂的分析物维持在体温。
6.根据前述权利要求中任一项或多项所述的系统，其中所述计算机处理单元被构造为使用一个或多个机器学习算法来分析至少所获取的信号。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述机器学习算法是计算机实施的人工神经网络，并且其中所述计算机处理单元还包括训练单元，所述训练单元配置为：
8.一种用于使用...
【专利技术属性】
技术研发人员：I·马尔科里乌斯，J·叶斯特洛扎诺，A·赫雷罗戈麦斯，M·阿扎格拉罗德里格斯，M·A·奥尔特加马丘卡，J·拉蒙阿兹孔，
申请(专利权)人：加泰罗尼亚生物工程研究所基金会，
类型：发明
国别省市：
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