Wetenschappers van de Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) heeft een lab-on-a-chip-systeem ontwikkeld dat de gezondheidsaspecten van het immuunsysteem van een persoon kan identificeren met een druppel bloed, binnen enkele minuten.

Met behulp van een combinatie van microfluïdica - kleine microscopische kanalen die witte bloedcellen van bloed kunnen isoleren - en elektrische sensoren, de nieuwe chip kon verschillen detecteren in de elektrische eigenschappen van witte bloedcellen van gezonde en diabetespatiënten.

Het proof of concept-apparaat kan artsen ooit helpen om snel inzicht te krijgen in het immuunsysteem van een persoon, en ontdek vroege tekenen van ontsteking en infectie die kunnen wijzen op de noodzaak van verdere diepgaande tests.

Ontworpen en gebouwd door assistent-professor Hou Han Wei en assistent-professor Holden Li van de School of Mechanical and Aerospace Engineering, hun uitvinding, indien succesvol in verdere laboratorium- en klinische beoordelingen, kan worden omgezet in een draagbaar apparaat dat geschikt is voor gezinsklinieken en poliklinieken.

Een prototype apparaat en de technische principes erachter werden eerder dit jaar gerapporteerd in twee peer-reviewed tijdschriften:Lab on a Chip en Biosensoren en bio-elektronica in oktober vorig jaar.

Aangezien de gezondheid van het immuunsysteem vaak betrokken is bij hart- en vaatziekten, de wetenschappers zeggen dat hun apparaat mogelijk een extra screeningtool kan zijn voor artsen om te gebruiken voor vroege detectie van hartziekten. In Singapore, hart- en vaatziekten waren goed voor 30,1 procent van alle sterfgevallen in 2017, terwijl diabetes een ernstig gezondheidsprobleem is dat ongeveer 10 procent van de wereldbevolking treft.

Hoe de uitvinding werkt

Assistent Prof Hou, die ook een faculteitslid is aan de Lee Kong Chian School of Medicine aan de NTU, zei dat hun chip elektrische verschillen detecteert tussen een gezonde witte bloedcel en een ongezonde. Abnormale witte bloedcellen zijn gemeld als een vroege biomarker voor een verhoogd risico op hart- en vaatziekten en suggereert ook een aanhoudende ontsteking.

Met behulp van zeer kleine kanalen, de chip scheidt eerst fysiek de verschillende bloedcellen op grootte in de verschillende uitlaten, als een muntsorteermachine. De geïsoleerde witte bloedcellen worden vervolgens door een speciaal kanaal geleid waar de elektrische impedantie van elke cel met een zeer hoge snelheid (honderden cellen per seconde) wordt gemeten.

De elektrische impedantie van een abnormale cel is meestal hoger dan de impedantie van een gezonde cel, gegeven als abnormale cel is groter in omvang en heeft verschillende membraaneigenschappen.

Witte bloedcellen vormen een belangrijk onderdeel van het immuunsysteem van het lichaam en een sleuteltype dat bekend staat als neutrofielen, zijn de eerste verdedigingslinie wanneer een infectie of ontsteking toeslaat.

"Onze chips kunnen duizenden witte bloedcellen isoleren uit een enkele druppel bloed en, binnen enkele minuten, vertellen of deze cellen elektrisch anders zijn dan normaal, wat een indicatie zou zijn of er een gezondheidsprobleem is dat nader moet worden onderzocht, " zei Asst Prof Hou.

"Belangrijker, ons proces gebruikt ook geen chemische biomarkers of antilichamen, wat de test goedkoop maakt, makkelijk te gebruiken, en dat we verdere analyse kunnen doen op dezelfde witte bloedcellen die we al door de chip hebben gehaald."

Mogelijk gebruik bij klinische tests

Asst Prof Holden Li zegt dat het materiaal dat wordt gebruikt om de nieuwe lab-on-a-chip te maken een veelgebruikt polymeer van medische kwaliteit is en gemakkelijk kan worden vervaardigd met behulp van bestaande machines. en kan worden omgevormd tot een machine van desktopformaat voor gebruik in klinieken.

"Onze chip is ontworpen om eenvoudig op te schalen door bedrijven, met een geïntegreerd systeem opgebouwd uit elektronische componenten die op de markt verkrijgbaar zijn. Vooruit gaan, we willen de technologie commercialiseren met een industriële partner, aangezien we zien dat er marktvraag is - naar een point-of-care-apparaat voor artsen en als laboratoriumapparatuur voor de studie van neutrofielen en het screenen van geneesmiddelen, " zei prof Li.

De wetenschappers voegden eraan toe dat ze ook meer onderzoek doen naar de verschillende elektrische impedantieniveaus en wat elk van hen betekent, om een ​​soort referentiebibliotheek te bouwen voor geautomatiseerde analyse, en zullen samenwerken met artsen om hun prototype in de klinische setting te testen.

Het geven van een onafhankelijk oordeel over het onderzoek, Professor Bernhard Böhm, Ong Tiong Tat Chair Professor of Diabetes Research aan de Lee Kong Chian School of Medicine van NTU, zei dat veel diabetespatiënten ook vatbaar zijn voor chronische infecties als gevolg van een ziekte die de prestaties van het immuunsysteem aantast.

"Er zijn een aantal beperkingen aan het gebruik van conventionele diagnostische markers voor patiënten met een klinische verdenking van infectie. Er is met name behoefte aan een betere vroege diagnose van bacteriële infecties en aan richtlijnen voor antibiotische therapie."

"Daarom, een testsysteem dat snel beslissingen kan nemen over het starten van specifieke therapieën zou van grote hulp zijn in een klinische setting. Echter, dit zal in de nabije toekomst gerandomiseerde gecontroleerde klinische onderzoeken nodig hebben om formeel bewijs te leveren dat het nieuwe testsysteem superieur is aan de momenteel gebruikte conventionele diagnostische procedures, " voegde prof. Boehm toe, die geen deel uitmaakte van dit onderzoek.

Hulpmiddel bij het bestuderen van immuunafweermechanismen

Het nieuwe apparaat kan ook zeer nuttig zijn voor de studie van NETosis, een nieuw ontdekt afweermechanisme op het gebied van immunologie.

Tijdens NETosis, neutrofielen spugen DNA-strengen uit die bacteriën en virussen vangen, net als een spinnenweb, om hun bewegingen te belemmeren en de gevangen ziekteverwekkers te doden. Echter, te veel NETosis vertraagt ​​ook de wondgenezing bij diabetes.

NETosis-expert, Universitair docent Christine Wong, van NTU's Lee Kong Chian School of Medicine die niet betrokken was bij deze studie, zegt dat de meest gebruikte methode voor het bestuderen van de neiging tot NETosis momenteel real-time beeldvorming of microscopie van vaste neutrofielen is.

Echter, het is een moeizaam proces voor onderzoekers om de neutrofielen te isoleren voor microscopie zonder hun oorspronkelijke basislijnstatus te beïnvloeden, en hebben geen invloed op de experimentele resultaten.

"Het nieuwe apparaat van Asst Prof Hou en Asst Prof Li kan snelle en onbevooroordeelde NETosis-experimenten en kwantificering mogelijk maken, die vooral nuttig zal zijn voor ex vivo screening van geneesmiddelen, " zei Asst Prof Wong in haar onafhankelijke commentaar.

"Als het apparaat kan worden aangepast om NETosis in muisneutrofielen te meten, dit zou geweldig nieuws zijn voor onderzoekers die muismodellen gebruiken, omdat een lage opbrengst aan neutrofielen een veelvoorkomend obstakel is bij het isoleren van neutrofielen bij muizen vanwege het kleinere bloedvolume dat beschikbaar is bij muizen en hun lagere myeloïde celverhouding in vergelijking met mensen."

Asst Prof Wong voegde toe dat hoewel het onwaarschijnlijk is dat het nieuwe apparaat microscopie-experimenten zal vervangen, in het bijzonder wanneer visualisatie van cellulaire componenten tijdens het NETosis-proces het onderwerp is, de middelen die zijn bespaard met NET-kwantificering kunnen worden omgeleid naar die onderzoeken.