Modulære blokke kunne gøre det muligt for laboratorier rundt om i verden billigt og let at bygge deres egen diagnostik

Forskere ved MIT's Little Devices Lab har udviklet et sæt modulblokke, der kan sættes sammen på forskellige måder for at producere diagnostiske enheder. Disse "plug-and-play" -enheder, som kræver lidt ekspertise at samle, kan teste blodsukkerniveauer hos diabetespatienter eller påvise viral infektion, blandt andre funktioner.

"Vores langsigtede motivation er at muliggøre små, lavressourcelaboratorier til at generere deres egne biblioteker med plug-and-play-diagnostik til uafhængigt at behandle deres lokale patientpopulationer, "siger Anna Young, meddirektør for MIT's Little Devices Lab, lektor ved Institut for Medicinsk Teknik og Videnskab, og en af ​​hovedforfatterne til papiret.

Ved hjælp af dette system, kaldet Ampli blokke, MIT -teamet arbejder på enheder til at opdage kræft, samt Zika -virus og andre infektionssygdomme. Blokkene er billige, koster omkring 6 øre for fire blokke, og de kræver ikke køling eller særlig håndtering, gør dem tiltalende til brug i udviklingslandene.

"Vi ser disse byggesæt som en måde at reducere barrierer for at lave medicinsk teknologi, "siger Jose Gomez-Marquez, meddirektør for Little Devices Lab og seniorforfatter af papiret.

Elizabeth Phillips '13, en kandidatstuderende ved Purdue University, er også hovedforfatter til papiret, som fremgår af journalen Avanceret sundhedsmateriale den 16. maj Andre forfattere omfatter Kimberly Hamad-Schifferli, en lektor i teknik ved University of Massachusetts i Boston og en gæsteforsker i MIT's afdeling for maskinteknik; Nikolas Albarran, en senioringeniør i Little Devices Lab; Jonah Butler, en MIT junior; og Kaira Lujan, en tidligere gæstelever i Little Devices Lab.

Tilpasset diagnostik

I løbet af det sidste årti, mange forskere har arbejdet med små, bærbare diagnostiske enheder baseret på kemiske reaktioner, der forekommer på papirstrimler. Mange af disse tests gør brug af lateral flow -teknologi, hvilket er den samme fremgangsmåde, der bruges i hjemmegraviditetstest.

På trods af disse bestræbelser, sådanne tests har ikke været bredt udbredt. En forhindring, siger Gomez-Marquez, er, at mange af disse enheder ikke er designet med henblik på storstilet fremstillingsevne. En anden er, at virksomheder måske ikke er interesseret i at masseproducere en diagnostik for en sygdom, der ikke påvirker et stort antal mennesker.

The Little Devices Lab -forskere indså, at de kunne få denne diagnostik i hænderne på mange flere mennesker, hvis de skabte et sæt modulære komponenter, der kan sættes sammen for at generere præcis det, brugeren har brug for. Til det formål, de har skabt omkring 40 forskellige byggesten, som laboratoriearbejdere rundt om i verden let kan samle på egen hånd, ligesom folk begyndte at samle deres egne radioer og andre elektroniske enheder fra kommercielt tilgængelige elektroniske "brødbrætter" i 1970'erne.

"Da det elektroniske brødbræt kom ud, det betød, at folk ikke behøvede at bekymre sig om at bygge deres egne modstande eller kondensatorer. De kunne bekymre sig om, hvad de egentlig ville bruge elektronik til, som skal lave hele kredsløbet, "Siger Gomez-Marquez.

I dette tilfælde, komponenterne består af et ark papir eller glasfiber klemt mellem en plast- eller metalblok og et glasdæksel. Blokkene, som er omkring en halv tomme på hver kant, kan snappe sammen langs enhver kant. Nogle af blokkene indeholder kanaler, hvor prøver kan flyde lige igennem, nogle har sving, og nogle kan modtage en prøve fra en pipette eller blande flere reagenser sammen.

Blokkene kan også udføre forskellige biokemiske funktioner. Mange indeholder antistoffer, der kan detektere et specifikt molekyle i en blod- eller urinprøve. Disse antistoffer er knyttet til nanopartikler, der ændrer farve, når målmolekylet er til stede, angiver et positivt resultat.

Disse blokke kan justeres på forskellige måder, tillader brugeren at oprette diagnostik baseret på en reaktion eller en række reaktioner. I et eksempel, forskerne kombinerede blokke, der detekterer tre forskellige molekyler for at lave en test for isonicotinsyre, som kan afsløre, om tuberkulosepatienter tager deres medicin.

Blokkene er farvekodet efter funktion, gør det lettere at samle foruddesignede enheder ved hjælp af instruktioner, som forskerne planlægger at lægge online. De håber også, at brugerne vil udvikle og bidrage med deres egne specifikationer til onlineguiden.

Bedre ydelse

Forskerne viste også, at der på nogle måder disse blokke kan udkonkurrere tidligere versioner af papirdiagnosticeringsenheder. For eksempel, de fandt ud af, at de kunne køre en prøve frem og tilbage over en teststrimmel flere gange, forstærkning af signalet. Dette kan gøre det lettere at få pålidelige resultater fra urin- og spytprøver, som normalt er mere fortyndede end blodprøver, men er lettere at få fra patienter.

"Det er ting, der ikke kan gøres med standard laterale flowtests, fordi de ikke er modulære - du får kun kørt dem én gang, ”siger Hamad-Schifferli.

Teamet arbejder nu på tests for humant papillomavirus, malaria, og Lyme sygdom, blandt andre. De arbejder også på blokke, der kan syntetisere nyttige forbindelser, herunder medicin, samt blokke, der inkorporerer elektriske komponenter, såsom lysdioder.

Det ultimative mål er at få teknologien i hænderne på små laboratorier i både industrialiserede og udviklingslande, så de kan oprette deres egen diagnostik. MIT -teamet har allerede sendt dem til laboratorier i Chile og Nicaragua, hvor de er blevet brugt til at udvikle udstyr til at overvåge patientens tilslutning til TB -behandling og til at teste for en genetisk variant, der gør malaria sværere at behandle.

Catherine Klapperich, lektor for forskning og lektor i biomedicinsk teknik ved Boston University, siger, at MIT -teamets arbejde vil bidrage til at gøre den diagnostiske designproces mere inklusiv.

"Ved at reducere barrierer for at designe nye point-of-care papirfluidika, arbejdet inviterer ingen eksperter til og vil helt sikkert resultere i nye ideer og samarbejde i indstillinger over hele verden, "siger Klapperich, som ikke var involveret i forskningen. "De praktiske demonstrationer af systemet, der præsenteres her, vil umiddelbart være nyttige, mens andre har mulighed for at bygge videre på værktøjet. "

Forskerne undersøger nu store produktionsteknikker, og de håber at starte et firma til fremstilling og distribution af kittene rundt om i verden.

"Vi er glade for at åbne platformen for andre forskere, så de kan bruge blokkene og generere deres egne reaktioner, "Siger Young.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.