Onderzoekers van MIT's Little Devices Lab hebben een set modulaire blokken ontwikkeld die op verschillende manieren kunnen worden samengesteld om diagnostische apparaten te produceren. Deze "plug-and-play" apparaten, die weinig expertise vereisen om te monteren, kan bloedglucosewaarden bij diabetespatiënten testen of virale infectie detecteren, onder andere functies.

"Onze langetermijnmotivatie is om kleine, laboratoria met weinig middelen om hun eigen bibliotheken met plug-and-play-diagnostiek te genereren om hun lokale patiëntenpopulaties onafhankelijk te behandelen, " zegt Anna Jong, co-directeur van MIT's Little Devices Lab, docent aan het Instituut voor Medische Technologie en Wetenschap, en een van de hoofdauteurs van het artikel.

Met behulp van dit systeem, genaamd Ampli-blokken, het MIT-team werkt aan apparaten om kanker op te sporen, evenals het Zika-virus en andere infectieziekten. De blokken zijn goedkoop, kost ongeveer 6 cent voor vier blokken, en ze vereisen geen koeling of speciale behandeling, waardoor ze aantrekkelijk zijn voor gebruik in ontwikkelingslanden.

"We zien deze bouwpakketten als een manier om de drempels voor het maken van medische technologie te verlagen, " zegt José Gomez-Marquez, co-directeur van het Little Devices Lab en de senior auteur van het artikel.

Elisabeth Philips '13, een afgestudeerde student aan de Purdue University, is ook een hoofdauteur van het artikel, die in het journaal verschijnt Geavanceerde materialen voor de gezondheidszorg op 16 mei. Andere auteurs zijn onder meer Kimberly Hamad-Schifferli, een universitair hoofddocent engineering aan de Universiteit van Massachusetts in Boston en een gastwetenschapper bij de afdeling Werktuigbouwkunde van het MIT; Nikolas Albarran, een senior engineer in het Little Devices Lab; Jonas Butler, een MIT-junior; en Kaira Lujan, een voormalige gaststudent in het Little Devices Lab.

Diagnostiek op maat

In het afgelopen decennium is veel onderzoekers hebben gewerkt aan kleine, draagbare diagnostische apparaten op basis van chemische reacties die optreden op papieren strips. Veel van deze tests maken gebruik van laterale flow-technologie, wat dezelfde benadering is die wordt gebruikt in zwangerschapstests voor thuis.

Ondanks deze inspanningen, dergelijke tests zijn niet op grote schaal ingezet. een obstakel, zegt Gomez-Marquez, is dat veel van deze apparaten niet zijn ontworpen met het oog op grootschalige produceerbaarheid. Een andere is dat bedrijven misschien niet geïnteresseerd zijn in massaproductie van een diagnose voor een ziekte die geen groot aantal mensen treft.

De onderzoekers van Little Devices Lab realiseerden zich dat ze deze diagnostiek in de handen van veel meer mensen zouden kunnen krijgen als ze een kit met modulaire componenten zouden maken die kunnen worden samengesteld om precies te genereren wat de gebruiker nodig heeft. Daartoe, ze hebben ongeveer 40 verschillende bouwstenen gemaakt die laboratoriummedewerkers over de hele wereld gemakkelijk zelf kunnen samenstellen, net zoals mensen in de jaren zeventig hun eigen radio's en andere elektronische apparaten begonnen te assembleren van in de handel verkrijgbare elektronische "broodplanken".

"Toen het elektronische breadboard uitkwam, dat betekende dat mensen zich geen zorgen hoefden te maken over het bouwen van hun eigen weerstanden of condensatoren. Ze konden zich zorgen maken over waar ze elektronica eigenlijk voor wilden gebruiken, dat is om het hele circuit te maken, ', zegt Gomez-Marquez.

In dit geval, de componenten bestaan ​​uit een vel papier of glasvezel tussen een plastic of metalen blok en een glazen deksel. de blokken, die ongeveer een halve inch aan elke rand zijn, langs elke rand in elkaar kunnen klikken. Sommige blokken bevatten kanalen waar monsters recht doorheen kunnen stromen, sommigen hebben beurten, en sommige kunnen een monster van een pipet ontvangen of meerdere reagentia met elkaar mengen.

De blokken kunnen ook verschillende biochemische functies vervullen. Veel bevatten antilichamen die een specifiek molecuul in een bloed- of urinemonster kunnen detecteren. Die antilichamen zitten vast aan nanodeeltjes die van kleur veranderen als het doelmolecuul aanwezig is, wijst op een positief resultaat.

Deze blokken kunnen op verschillende manieren worden uitgelijnd, waardoor de gebruiker diagnostiek kan maken op basis van één reactie of een reeks reacties. In een voorbeeld, de onderzoekers combineerden blokken die drie verschillende moleculen detecteren om een ​​test voor isonicotinezuur te maken, die kan uitwijzen of tuberculosepatiënten hun medicatie gebruiken.

De blokken zijn kleurgecodeerd per functie, waardoor het gemakkelijker wordt om vooraf ontworpen apparaten in elkaar te zetten met behulp van instructies die de onderzoekers van plan zijn online te zetten. Ze hopen ook dat gebruikers hun eigen specificaties zullen ontwikkelen en bijdragen aan de online gids.

Betere prestatie

De onderzoekers toonden ook aan dat in sommige opzichten, deze blokken kunnen beter presteren dan eerdere versies van papieren diagnostische apparaten. Bijvoorbeeld, ze ontdekten dat ze een monster meerdere keren heen en weer konden laten lopen over een teststrip, het signaal versterken. Dit zou het gemakkelijker kunnen maken om betrouwbare resultaten te krijgen van urine- en speekselmonsters, die gewoonlijk meer verdund zijn dan bloedmonsters, maar zijn gemakkelijker te verkrijgen bij patiënten.

"Dit zijn dingen die niet kunnen worden gedaan met standaard laterale flowtests, omdat die niet modulair zijn - je kunt die maar één keer uitvoeren, ", zegt Hamad-Schifferli.

Het team werkt nu aan tests voor het humaan papillomavirus, malaria, en de ziekte van Lyme, onder andere. Ze werken ook aan blokken die nuttige verbindingen kunnen synthetiseren, inclusief medicijnen, evenals blokken die elektrische componenten zoals LED's bevatten.

Het uiteindelijke doel is om de technologie in handen te krijgen van kleine laboratoria in zowel geïndustrialiseerde als ontwikkelingslanden, zodat ze hun eigen diagnose kunnen maken. Het MIT-team heeft ze al naar laboratoria in Chili en Nicaragua gestuurd. waar ze zijn gebruikt om apparaten te ontwikkelen om de therapietrouw van patiënten met tbc-behandeling te controleren en om te testen op een genetische variant die malaria moeilijker te behandelen maakt.

Catharina Klapperich, universitair hoofddecaan voor onderzoek en universitair hoofddocent biomedische technologie aan de Boston University, zegt dat het werk van het MIT-team zal helpen om het diagnostische ontwerpproces inclusiever te maken.

"Door de barrières voor het ontwerpen van nieuwe point-of-care papiervloeistoffen te verminderen, het werk nodigt niet-experts uit en zal zeker resulteren in nieuwe ideeën en samenwerkingen in settings over de hele wereld, " zegt Klapperich, die niet bij het onderzoek betrokken was. "De praktische demonstraties van het hier gepresenteerde systeem zijn klaar om onmiddellijk bruikbaar te zijn, terwijl de mogelijkheden voor anderen om op de tool voort te bouwen groot zijn."

De onderzoekers onderzoeken nu grootschalige productietechnieken, en ze hopen een bedrijf te starten om de kits over de hele wereld te produceren en te distribueren.

"We zijn verheugd om het platform open te stellen voor andere onderzoekers, zodat ze de blokken kunnen gebruiken en hun eigen reacties kunnen genereren, "zegt Jong.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.