(PhysOrg.com) -- Microsponzen afgeleid van zeewier kunnen helpen bij het diagnosticeren van hartaandoeningen, kankers, HIV en andere ziekten snel en tegen veel lagere kosten dan de huidige klinische methoden. De microsponzen zijn een essentieel onderdeel van de Programmable Bio-Nano-Chip (PBNC) van Rice University en de focus van een nieuw artikel in het tijdschrift Klein .

Het artikel van John McDevitt, de Brown-Wiess Professor in Bioengineering and Chemistry, en zijn collega's van Rice's BioScience Research Collaborative bekijken de innerlijke werking van PBNC's, die McDevitt ziet als een mainstream medisch diagnostisch hulpmiddel.

PBNC's voor het diagnosticeren van een verscheidenheid aan ziekten zijn momenteel de focus van zes klinische onderzoeken bij mensen. McDevitt zal hun ontwikkeling bespreken op de jaarlijkse bijeenkomst van de American Association for the Advancement of Science (AAAS) in Washington, gelijkstroom, 17-21 februari.

PBNC's vangen biomarkers op -- moleculen die informatie bieden over iemands gezondheid -- gevonden in bloed, speeksel en andere lichaamsvloeistoffen. De biomarkers zijn opgeslagen in kleine sponzen in een reeks omgekeerde piramidevormige trechters in het microprocessorhart van de PBNC ter grootte van een creditcard.

Wanneer een vloeistofmonster in het wegwerpapparaat wordt gedaan, microfluïdische kanalen leiden het naar de sponzen, die zijn doordrenkt met antilichamen die specifieke biomarkers detecteren en vastleggen. Eenmaal gevangen, ze kunnen binnen enkele minuten worden geanalyseerd met een geavanceerde microscoop en computer ingebouwd in een draagbare, broodrooster-formaat lezer.

Het proces voor het vastleggen van biomarkers is het onderwerp van de Klein papier. De microsponzen zijn 280 micrometer kralen van agarose, een goedkope, gemeenschappelijk, laboratoriumvriendelijk materiaal afgeleid van zeewier en vaak gebruikt als matrix voor het kweken van levende cellen of het vangen van eiwitten.

Het mooie van agarose is het vermogen om een ​​breed scala aan doelen te vangen, van relatief grote eiwitbiomarkers tot kleine metabolieten van geneesmiddelen. In het labortorium, agarose begint als een poeder, zoals Jell-O. Wanneer gemengd met heet water, het kan worden gevormd tot gels of vaste stoffen van elke grootte. De grootte van de poriën en kanalen in agarose kan worden afgestemd op de nanoschaal.

De uitdaging, McDevitt zei, definieerde een nieuw concept om snel en efficiënt biomarkers binnen een microfluïdisch circuit te vangen en te detecteren. De bij Rice ontwikkelde oplossing is een netwerk van microsponzen met op maat gemaakte poriegroottes en nanonetten van agarosevezels. Door de sponsachtige kwaliteit kan veel vloeistof snel worden verwerkt, terwijl het nanonet een enorm oppervlak biedt dat kan worden gebruikt om optische signalen te genereren 1, 000 keer groter dan conventionele apparaten van koelkastformaat. De minisensor-ensembles, hij zei, pak maximale punch.

Het team ontdekte dat agarosekorrels met een diameter van ongeveer 280 micrometer ideaal zijn voor toepassingen in de echte wereld en op een kosteneffectieve manier in massaproductie kunnen worden geproduceerd. Deze agarosekorrels behouden hun efficiëntie bij het vastleggen van biomarkers, zijn gemakkelijk te hanteren en vereisen geen gespecialiseerde optica om te zien.

McDevitt en zijn collega's testten kralen met poriën tot 620 nanometer en tot 45 nanometer breed. (Een vel papier is ongeveer 100, 000 nanometer dik.) Poriën in de buurt van 140 nanometer bleken het beste in het snel laten doordringen van eiwitten in de interne nano-netten van de kralen, een kenmerk waarmee PBNC's in minder dan 15 minuten op ziekte kunnen testen.

Het team rapporteerde over experimenten met behulp van twee biomarkers, carcino-embryonale antigenen en interleukine-1 bèta-eiwitten (en bijpassende antilichamen voor beide), gekocht door het laboratorium. Nadat de kralen in de antilichaamoplossingen zijn geweekt, de onderzoekers testten hun vermogen om hun overeenkomende biomarkers te herkennen en vast te leggen. In de beste gevallen, ze vertoonden een bijna totale efficiëntie (99,5 procent) bij de detectie van aan kralen gebonden biomarkers.

McDevitt verwacht al enige tijd dat een driedimensionale kraal een groter potentieel had om biomarkers te vangen en vast te houden dan de standaard voor dergelijke tests, de enzym-linked immunosorbent assay (ELISA) techniek. ELISA analyseert vloeistoffen die zijn geplaatst in een reeks putjes van 6,5 millimeter met een laag biomarkeropvangmateriaal dat op de bodem is uitgespreid. Het verkrijgen van resultaten via ELISA vereist een laboratorium vol apparatuur, hij zei.

"De hoeveelheid optisch signaal die je krijgt, hangt meestal af van de dikte van een monster, " zei McDevitt. "Water, bijvoorbeeld, ziet er helder uit in een klein glas, maar is blauw in een oceaan of een meer. De meeste moderne klinische apparaten lezen signalen van monsters in platte of gebogen oppervlakken, dat is als proberen de blauwe kleur van water in een glas te zien. Het is erg moeilijk."

Ter vergelijking, PBNC's geven de onderzoekers een zee aan informatie. "We creëren een microspons met een ultrahoog oppervlak die een grote hoeveelheid materiaal verzamelt, " zei hij. "De spons is als een kwal met tentakels die de biomarkers vangen."

De agarosekraal is ontworpen om onzichtbaar te worden in water. "Dat maakt het een ideale omgeving om biomarkers vast te leggen, omdat de matrix het visualiseren van de inhoud niet in de weg staat. Dit is een mooi gebruik van nieuwe biomaterialen die zo goedkoop zijn als vuil, maar toch krachtige prestaties leveren, ' zei McDevitt.

Volgens eerdere studies, slechts een fractie -- minder dan 10 procent -- van de capture-antilichamen in de "gouden standaard" ELISA-arrays is nog steeds actief tegen de tijd dat een test begint. Ter vergelijking, bijna alle antilichamen in de agarosekorrels behouden hun vermogen om biomarkers te detecteren en te vangen, zei McDevitt.

uiteindelijk, hij zei, PBNC's zullen snelle, kosteneffectieve diagnostische tests voor patiënten die ziek zijn, of ze nu op de eerste hulp zijn, in een ambulance of zelfs terwijl ze in hun eigen huis worden behandeld. Nog beter, de chips kunnen op een dag het mogelijk maken om snel en gemakkelijk gezonde mensen te testen om te zoeken naar vroege waarschuwingssignalen van ziekte.