De moeilijkheid om minieme hoeveelheden ziekte die in de bloedbaan circuleert op te sporen, is een struikelblok gebleken bij de detectie en behandeling van kankers die heimelijk voortschrijden met weinig symptomen. Met een nieuw elektrochemisch biosensing-apparaat dat de kleinste signalen identificeert die deze biomarkers uitzenden, een paar NJIT-uitvinders hopen deze kloof te overbruggen.

Hun werk op het gebied van ziektedetectie is een illustratie van de kracht van elektrische detectie - en de groeiende rol van ingenieurs - in medisch onderzoek.

"Ideaal, er zou een eenvoudige, goedkope test - uitgevoerd tijdens een regelmatig patiëntbezoek bij afwezigheid van specifieke symptomen - om te screenen op enkele van de meer stille, dodelijke kankers, " zegt Bharat Babu Nunna, een recente Ph.D. afgestudeerde die met Eon Soo Lee werkte, een assistent-professor werktuigbouwkunde, om een ​​met nanotechnologie verbeterde biochip te ontwikkelen om kankers op te sporen, malaria en virale ziekten zoals longontsteking vroeg in hun progressie met een speldenprikbloedtest.

Hun apparaat bevat een microfluïdisch kanaal waardoor een kleine hoeveelheid afgenomen bloed langs een detectieplatform stroomt dat is bedekt met biologische agentia die binden met gerichte biomarkers van ziekte in lichaamsvloeistoffen zoals bloed, tranen en urine, waardoor een elektrisch nanocircuit wordt geactiveerd dat hun aanwezigheid signaleert.

In recent gepubliceerd onderzoek in Nano-dekking , Nunna en zijn co-auteurs demonstreerden het gebruik van gouden nanodeeltjes om de sensorsignaalrespons van hun apparaat bij kankerdetectie te verbeteren, onder andere bevindingen.

Een van de belangrijkste innovaties van het apparaat is de mogelijkheid om bloedplasma te scheiden van volbloed in de microfluïdische kanalen. Bloedplasma bevat de biomarkers van de ziekte en het is daarom noodzakelijk om het te scheiden om de "signaal-ruisverhouding" te verbeteren om een ​​zeer nauwkeurige test te verkrijgen. Het standalone apparaat analyseert een bloedmonster binnen twee minuten zonder dat er externe apparatuur nodig is.

"Onze aanpak detecteert gerichte ziektebiomoleculen op de femto-schaalconcentratie, die kleiner is dan nano- en zelfs picoschaal, en is verwant aan het zoeken naar een planeet in een cluster van sterrenstelsels. De huidige detectietechnologie is beperkt tot concentraties die duizend keer groter zijn. Door een platform op nanoschaal te gebruiken, kunnen we deze lagere ziekteniveaus identificeren, "Nonna zegt, toevoegen, "En door het plasma van het bloed te scheiden, we zijn in staat om de biomarkers van de ziekte te concentreren."

In een ander recent artikel in BioNanoWetenschap , Nuna, Lee en hun co-auteurs hebben hun bevindingen over variaties in gevoeligheid gedetailleerd beschreven op basis van microfluïdische stroom.

Nunna is nu een postdoctoraal onderzoeker aan de Harvard Medical School, waar hij zijn expertise in microfluïdische platforms uitbreidt, ze te gebruiken in orgel-op-de-chip-onderzoek uitgevoerd met Su Ryon Shin, een hoofdonderzoeker en instructeur in de medische faculteit van de medische faculteit die 3D-bioprinted organoïden ontwikkelt - kunstmatige organen die zijn samengesteld uit gekweekte cellen in gestructureerde hydrogels - voor medische experimenten.

"Ik ben in de eerste plaats verantwoordelijk voor het ontwikkelen van de microfluïdische apparaten die het proces van bioprinten van 3D-organen zullen automatiseren die voor een aantal doeleinden op een chip zullen worden opgenomen. Het is mijn taak, bijvoorbeeld, met de ontwikkeling van een geautomatiseerd platform voor langetermijnanalyse van de werkzaamheid van geneesmiddelen en toxiciteit om leverkanker en cardiale biomarkers te volgen. Ik zal de microfluïdische biosensor integreren met het leverkanker- en hart-op-een-chip-model voor continue monitoring, " hij zegt.

Door de biomarkerconcentraties te meten die worden uitgescheiden door medicijngeïnjecteerde 3D-bioprinted organen, we kunnen de effecten van medicijnen op verschillende organen bestuderen zonder een levende patiënt te schaden. Door kunstmatige organen te maken, kunnen we vrijelijk experimenteren."

Aan het einde van de weg, hij voegt toe, het werk aan Harvard zou mogelijk kunnen worden toegepast in de regeneratieve geneeskunde. "Het doel is om volledig functionele 3D-bioprinted organoïden en klinisch relevante 3D-weefsels te ontwikkelen om het probleem van donortekorten bij transplantatie aan te pakken."

Nunna zegt dat zijn onderzoek aan de Harvard Medical School zijn kennis van programmeerbare microfluïdica en nauwkeurige elektrochemische detectietechnieken zal uitbreiden, wat hem op zijn beurt zal helpen zijn biochip-technologie vooruit te helpen. Het doel is een eenvoudige, standaardtest voor kankerdiagnose die conventionele, complexe diagnostische stappen.

Lee en Nunna hebben samengewerkt met oncologen van Weill Cornell Medicine en Hackensack Medical Center om klinische toepassingen te identificeren. Zoals momenteel ontworpen, het apparaat zou zowel kwalitatieve als kwantitatieve resultaten opleveren van kankerantigenen in bloedmonsters, het verstrekken van informatie over de aanwezigheid en de ernst van de kanker. Hun volgende stap, hij zegt, zal zijn om het platform uit te breiden om meerdere ziekten op te sporen met een enkel bloedmonster verkregen met een speldenprik.

"Hoewel zorgtechnologie wordt beschouwd als een snel evoluerende technologie, er zijn nog veel onvervulde behoeften die moeten worden aangepakt. Het diagnosticeren van potentieel dodelijke ziekten in een vroeg stadium is de sleutel tot het redden van levens en het verbeteren van de behandelresultaten van patiënten, " hij zegt, toevoegen, "Er is een enorme behoefte aan zorgtechnologie, inclusief een universeel diagnostisch platform dat onmiddellijke resultaten kan bieden op het kantoor van de arts en andere point-of-care-instellingen."

Nunna is de mede-oprichter en hoofdonderzoeker van Abonics, Inc., een startup gevormd door Lee om hun apparaat te commercialiseren. Hij wordt samen met Lee genoemd als mede-uitvinder van drie gepubliceerde biochip-patenten en zes aanvullende patenten die nu worden beoordeeld door het U.S. Patent and Trademark Office. Hun technologie heeft financiële steun gekregen van het National Science Foundation I-Corps-programma en de New Jersey Health Foundation (NJHF), een non-profitorganisatie die biomedisch onderzoek en gezondheidsgerelateerde onderwijsprogramma's in New Jersey ondersteunt.

"Zoals we weten, vroege opsporing kan de behandelresultaten voor patiënten aanzienlijk verbeteren, " legde George F. Heinrich uit, MD, vice-voorzitter en CEO van NJHF, bij de bekendmaking van de prijs. "Momenteel, artsen vertrouwen op diagnostische apparaten die minimaal vier uur monstervoorbereiding vereisen via gecentraliseerde diagnostische centra in plaats van hun lokale kantoren."

in 2017, Nunna ontving de "Best Design in Healthcare Innovations and Point-of-Care Innovations Award" op de Healthcare Innovation and Point-of-Care Technologies-conferentie van de Engineering in Medicine and Biology Society, gehouden in het hoofdkantoor van het National Institute of Health in Bethesda, MD. Datzelfde jaar, de technologie ontving de nationale innovatieprijs op de TechConnect World Innovation Conference and Expo, een jaarlijkse bijeenkomst van kantoren voor technologieoverdracht, bedrijven, en beleggingsondernemingen die elkaar ontmoeten om veelbelovende technologieën van over de hele wereld te identificeren.