Wanneer mensen zich in de vroege stadia van een niet-gediagnosticeerde ziekte bevinden, onmiddellijke tests die tot behandeling leiden, zijn de beste eerste stappen. Maar een bloedafname - meestal uitgevoerd door een medische professional gewapend met een oncomfortabel grote naald - is misschien niet het snelst, minst pijnlijke of meest effectieve methode, volgens nieuw onderzoek.

Nu opent een techniek met micronaalden die relatief grote hoeveelheden interstitiële vloeistof kunnen opzuigen - een vloeistof die zich net onder de huid schuilhoudt - nieuwe mogelijkheden. Eerder, micronaalden - klein, hol, roestvrijstalen naalden - hebben kleine hoeveelheden interstitiële vloeistof afgevoerd die nodig zijn om de elektrolytniveaus te analyseren, maar konden niet genoeg vloeistof opnemen om ingewikkeldere medische tests praktisch te maken. De grotere trekkingen van de nieuwe methode zouden effectiever kunnen zijn bij het snel meten van de blootstelling aan chemische en biologische middelen voor oorlogsvoering en bij het diagnosticeren van kanker en andere ziekten. zegt onderzoeker en teamleider van Sandia National Laboratories Ronen Polsky, die hoofdonderzoeker is van het project dat wordt gesponsord door het Defense Threat Reduction Agency en Sandia's Laboratory Directed Research and Development-programma.

"Wij geloven dat interstitiële vloeistof een enorm diagnostisch potentieel heeft, maar er was een probleem met het verzamelen van voldoende hoeveelheden voor klinische analyse, "zei Polsky. "Interstitiële dermale vloeistof, vanwege de belangrijke regulerende functies in het lichaam, draagt ​​eigenlijk meer immuuncellen dan bloed, dus het kan zelfs het begin van sommige ziekten sneller voorspellen dan andere methoden."

Polski, samen met de Universiteit van New Mexico, het Amerikaanse leger Edgewood Chemical Biological Center en andere Sandia-onderzoekers beschreven de nieuwe techniek in een paper van 22 oktober in de Natuur logboek Communicatiebiologie .

De relatief grote hoeveelheden zuivere interstitiële vloeistof die worden geëxtraheerd, die nog nooit eerder zijn bereikt, het mogelijk maken om een ​​database van testbare moleculen te creëren, zoals eiwitten, nucleotiden, kleine moleculen en andere cel-naar-cel signaalblaasjes die exosomen worden genoemd. Hun aanwezigheid of afwezigheid in de interstitiële vloeistof van een patiënt zou dan aangeven, wanneer de gegevens van een persoon langs elektronische weg worden verzonden naar een toekomstig datacenter, of lichamelijke aandoeningen zoals kanker, leverziekte of andere problemen kunnen optreden.

Het nieuwe extractieprotocol voor micronaalden bereikte zijn nieuwste resultaten door een techniek aan te passen die werd beschreven in een technisch document uit 1999. De originele techniek trok vloeistof aan met een micronaald bevestigd aan een plat substraat dat de huid penetreerde. In de recente wijziging een concentrische ring van een horizontaal gesneden insulinepeninjector rond de naald werd toevallig gebruikt en er kwam een ​​veel grotere hoeveelheid vloeistof beschikbaar.

"Het eerdere artikel toonde minder dan een microliter per inbrenging en onze nieuwe naalden haalden tot 2 microliter per naald, dus we veronderstelden dat het verschil de bevestiging rond de naald moest zijn die de druk op de huid moduleerde, " zei Sandia-onderzoeker Phillip Miller, de hoofdauteur van het papier. "Door reeksen naalden te maken, onze extraheerbare hoeveelheid nam toe van 2 microliter tot maximaal 20 microliter bij menselijke proefpersonen." Eén microliter is ongeveer 0,000034 fluid ounces.

Interstitiële vloeistof, de transparante vloeistof die alle menselijke cellen omgeeft, wordt meestal ervaren als de vloeistof die blaren opblaast. Het is zo belangrijk voor het transport van biomoleculen tussen cellen en als intermediair tussen bloed en het lymfestelsel dat sommige onderzoekers ernaar hebben verwezen, zoals huid, als een ander lichaamsorgaan.

Het voordeel van interstitiële vloeistof voor patiënten is dat het kan worden gesondeerd met naalden van 1,5 millimeter (ongeveer 0,06 inch) die te kort zijn om zenuwen te bereiken die pijn veroorzaken. Het heeft ook geen rode bloedcellen om de resultaten van tests te vertroebelen. Tot dit laatste onderzoek, de vloeistof had slechts één probleem:het onvermogen van onderzoekers om er genoeg van te verzamelen dat onbedorven is door celfragmenten om een ​​voldoende aantal tests uit te voeren voor volledige karakterisering. Een micronaald die in de huid wordt gedrukt, zou alleen de interstitiële vloeistof opsturen die het had verdrongen - een fractie van een microliter. Alternatief, het inbrengen van een kleine vloeistofpomp bracht grote maar beschadigde hoeveelheden vloeistof voort.

Onderzoeksovereenkomst van miljoen dollar

In het afgelopen decennium zijn de naalden in het laboratorium gebruikt om kleine hoeveelheden - fracties van microliters - interstitiële vloeistof te verzamelen om realtime veranderingen in lichaamszouten te detecteren die wijzen op vermoeidheid. Onderzoekers stelden zich een apparaat ter grootte van een polshorloge voor dat onmiddellijke elektrolytmetingen gaf aan atleten en hun coaches, militairen in het veld of gewone burgers die zich een beetje down voelen.

Die techniek is van meer dan theoretisch belang gebleken:Sandia Labs, met Polsky als hoofdonderzoeker, heeft zojuist een coöperatieve onderzoeks- en ontwikkelingsovereenkomst van $ 1 miljoen getekend met een in Australië gevestigd bedrijf, Microfluidics Biomedical Pty. Ltd., om zo'n horloge te ontwikkelen dat lactaat en glucose in realtime detecteert. Het horloge zal naar verwachting binnen drie jaar marktklaar zijn. Polsky sprak over dit concept in een TEDxABQ-talk in september 2017.

De overeenkomst is gebaseerd op de interesse van het bedrijf in het creëren van een realtime meetapparaat voor sportliefhebbers, soldaten in het veld en gewone mensen die geïnteresseerd zijn in het onmiddellijk bepalen van persoonlijke gezondheidsproblemen. De expertise van het bedrijf op het gebied van de ontwikkeling van algoritmen en Sandia's expertise op het gebied van microfabricage van autonome geïntegreerde sensoren en micronaaldtechnologie zullen bijdragen aan de ontwikkeling van het product.

Verschillende horlogeontwerpen worden getest op gevoeligheid en selectiviteit, evenals voor langdurig gebruik over relevante concentratiebereiken in een synthetische interstitiële vloeistof en vervolgens bij levende proefpersonen. Microfluidics Biomedical zal de draadloze technologie ontwerpen voor het verzenden van het signaal dat door de sensoren wordt gegenereerd, die kunnen worden gelezen door coaches, militaire teamleiders of de persoon die het horloge bezit.

Deze onderzoeksovereenkomst is belangrijk omdat het een stap is in het oversteken van wat ondernemers de 'vallei des doods' noemen, die laboratoriuminnovatie vaak scheidt van realisatie als een commercieel product.

Maar de onderzoeksgemeenschap die het medische gebruik van micronaalden onderzocht, wilde groter wild onderzoeken, inclusief het opsporen van gevreesde ziekten die ingrijpender zijn dan alleen een tekort aan elektrolyten.

Er zijn meer tests nodig om gegevens te verzamelen over die interstitiële vloeistofcomponenten die in natura spiegelen, hoewel niet in hoeveelheid, veel van die beschikbaar voor bloed. Eenmaal bereikt, de toon wordt gezet voor eenvoudiger, goedkoper, sneller, pijnloze tests die naar verwachting in de toekomst elektronisch worden verzonden van het polshorloge van een deelnemer naar een centrale databank, om in een vroeg stadium het bestaan ​​van een medisch probleem en de oplossing ervan in realtime vast te stellen.

Het zal vele jaren duren om een ​​complete database te maken voor de ziekten van de wereld, zei Polski. Dus momenteel, hij en zijn team starten een nieuw project om te kijken naar biomarkers in interstitiële vloeistof die evolueren na griepvaccinaties. De inspanning zal gebruik maken van vrijwillige Sandia-medewerkers. "Griepvaccinaties zijn een ideale manier om de pathogenese van infectieziekten te bestuderen en deze studie kan leiden tot een nieuwe manier om griep te diagnosticeren en de verspreiding ervan te karakteriseren, ' zei Polski.