Een van de grenzen van de medische diagnostiek is de wedloop naar gevoeliger bloedonderzoek. Het vermogen om uiterst zeldzame eiwitten te detecteren, kan voor veel aandoeningen een levensreddend verschil maken, zoals de vroege opsporing van bepaalde vormen van kanker of de diagnose van traumatisch hersenletsel, waar de relevante biomarkers slechts in verdwijnende kleine hoeveelheden voorkomen.

Commerciële benaderingen voor detectie van ultragevoelige eiwitten beginnen beschikbaar te komen, maar ze zijn gebaseerd op dure optica en vloeistofbehandelingen, waardoor ze relatief omvangrijk en duur zijn en hun gebruik beperken tot laboratoriumomgevingen.

Wetende dat het hebben van een dergelijk diagnostisch systeem als point-of-care-apparaat van cruciaal belang zou zijn voor veel aandoeningen, vooral traumatisch hersenletsel, ingenieurs van de Universiteit van Pennsylvania hebben een test ontwikkeld die gebruikmaakt van kant-en-klare componenten en die binnen enkele minuten afzonderlijke eiwitten kan detecteren met resultaten, vergeleken met de traditionele workflow, wat dagen kan duren.

Met behulp van een standaard mobiele camera en een set stroboscoop LED-verlichting, gecombineerd met de microfluïdische druppelgeneratoren van hun lab, het team heeft een systeem ontwikkeld dat duizend keer gevoeliger is dan de standaard eiwittest, is in de hand, en aanzienlijk goedkoper dan de huidige state-of-the-art single-protein tests die voor het eerst op de markt komen.

De onderzoekers, onder leiding van David Issadore, assistent-professor aan de afdeling Bioengineering van Penn Engineering, en afgestudeerde student Venkata R. Yelleswarapu, demonstreerden hun systeem in een studie gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

De standaard eiwitdetectietest, ELISA, omvat het hechten van antilichamen aan de eiwitten in kwestie, vervolgens meten hoeveel de kleur van het monster verandert als reactie op enzymen die aan de antilichamen zijn gekoppeld. Dit proces is snel en eenvoudig genoeg om te worden opgenomen in point-of-care-apparaten, zoals thuis hiv-tests, maar werkt alleen als de eiwitten zich in grote concentraties bevinden.

Er zijn momenteel zeer weinig biomarkers voor traumatisch hersenletsel, omdat zeer weinig van de eiwitmarkers van die verwondingen hun weg vinden door de bloed-hersenbarrière. Medische onderzoekers hebben pas onlangs bevestigd dat dergelijke markers kunnen worden gebruikt voor een bloedtest, en gezien hun ultra-lage concentraties, die test zou veel gevoeliger moeten zijn dan de standaard ELISA-array.

"Duizend keer gevoeliger, '" Zegt Issadore, "we bedoelen dat als we een flesje bloed hadden met slechts een paar van de relevante eiwitten, we kunnen die eiwitten nauwkeurig tellen, terwijl een traditionele test niet op betrouwbare wijze het verschil kon zien tussen dat flesje bloed en een flesje waar geen eiwit in zat. Naarmate je het aantal eiwitten blijft verhogen, de traditionele test zal ze uiteindelijk kunnen detecteren, maar we kunnen het aantal eiwitten kwantificeren in concentraties die duizend keer minder zijn dan zij kunnen."

De aanpak van Issadore werkt door één eiwit per keer te meten, door het monster op te splitsen in microdruppeltjes, die elk een enkel eiwit of helemaal geen eiwit bevatten. De expertise van zijn lab op het gebied van microfluïdica heeft microchips geproduceerd die zijn geëtst met honderden microdruppelgeneratoren, allemaal parallel werken.

"Normaal gesproken, je zou heel precies moeten meten hoeveel een monster van kleur verandert of fluoresceert, maar hier veranderen we het in tientallen miljoenen ja-of-nee-vragen, ", zegt Issadore. "Het digitaliseren van die vraag verlaagt de kosten van de camera en de omringende vloeistofbehandelingsapparatuur, maar verschuift het probleem naar de verwerking van tientallen miljoenen van die vragen, op een manier die reproduceerbaar is, nauwkeurig, goedkoop en draagbaar."

Terwijl een kant-en-klare camera kan detecteren of een microdruppel een fluorescerend-markergebonden eiwit bevat of niet, de grote uitdaging was om het proces te versnellen. Bestaande digitale druppeldetectoren lijn de druppeltjes op zodat ze één voor één kunnen worden gemeten. Dergelijke systemen zijn nauwkeurig, maar omvangrijk en duur. Ze hebben ook een beperkte doorvoer, vanwege de noodzaak om miljoenen druppels één voor één te bekijken.

"Duizend druppels per seconde, de doorvoer van conventionele technologieën, is nog steeds vrij traag als je 50 miljoen moet meten, ' zegt Yelleswarapu.

In plaats van één kanaal te hebben, de onderzoekers stromen druppels in honderden kanalen die tegelijkertijd langs de camera gaan. het knelpunt, echter, is hoe snel een camera de gegevens kan vastleggen.

"Conventioneel, dat zou niet werken omdat de belichtingstijd die je zou krijgen van een gewone camera zodanig is dat de signalen van twee druppels naast elkaar elkaar zouden overlappen, " zegt Yelleswarapu. "Een camera van een mobiele telefoon neemt ongeveer honderd beelden per seconde, en dat is veel te langzaam om nuttig te zijn voor ons om deze druppels op te lossen. Maar je kunt die camera gebruiken als de lichtbron die je gebruikt om de druppel te verlichten duizend keer sneller gaat dan de framerate van de camera."

De truc die ervoor zorgde dat de aanpak van het Issadore-team werkte, was om dit stroboscooplicht te coderen met een signaal waarmee ze één microdruppel van zijn buren konden scheiden.

"We flitsen het licht in een heel specifiek patroon dat zich nooit herhaalt, wat een techniek is die we van radar hebben geleend, ', zegt Issadore. 'Terwijl de signalen over het scherm gaan, worden ze bedrukt met deze streepjescode. Dus ook al overlappen ze elkaar, we kunnen ze van elkaar onderscheiden door welke stroboscooppuls elke druppel verlichtte."

De groep van Issadore heeft eerder gepubliceerd over markers voor traumatisch hersenletsel, en heeft een lopend onderzoeksproject met het Presbyterian Hospital met patiënten met hersenletsel. Ze hebben ook een spin-off bedrijf, Chipdiagnose, gevestigd in het Pennovation Center, die tot doel heeft testkits te produceren voor vroege diagnostiek van kanker en traumatisch hersenletsel.