Foldning af en dråbe vand løser en mangeårig udfordring i bærbare diagnostiske enheder

Hvis du nogensinde har stoppet for at se regn falde på en rude, du har set, hvad der sker, når to dråber vand rører og smelter sammen til en. Fysikken i arbejdet med dette fænomen kan give en løsning til udvikling af miniaturiserede personlige biologiske analyseenheder. Et internationalt team af forskere fra IBM Research-Zurich og Microfluidics for Oncology Laboratory ved Polytechnique Montréal har rapporteret denne opdagelse i Natur .

Installation af et laboratorium på en chip:en mangeårig udfordring

I de sidste to årtier har forskning udført rundt om i verden på såkaldte lab-on-a-chip-enheder har vist løfte om bærbare værktøjer, der kun kræver en lille prøve af kropsvæske (f.eks. blod, spyt, urin) for at screene for sygdomme eller måle biologiske data. Denne slags miniaturesystemer findes allerede til enkle målinger foretaget med få reagenser:glukosemålere og graviditetstest er to eksempler. Men mere komplekse analyser, som kræver blanding af en enkelt prøve med en række reagenser i præcise mængder i en bestemt rækkefølge, har vist sig vanskeligere at udvikle.

En af de mest lovende tilgange til at integrere flere reagenser i en testenhed er at deponere små dråber i pikolitre (et par milliarddele af en milliliter) i et mikrosystem ved hjælp af en teknik, der er analog med inkjetprint, og derefter forsegle enheden. Ved kontakt med luft, de små mængder væske fordamper øjeblikkeligt, efterlader en meget præcis sekvens af tørrede reagenser, som kan rehydratiseres, når væskeprøven tilsættes på tidspunktet for testen. Et stort problem har vedvaret, dog:Når væsken bevæger sig hen over de tørrede reagenser, det spreder dem, "forvrider signalet, "og forhindre udførelse af sarte diagnostiske trin, der involverer præcise biokemiske målinger.

For at angribe spredningsproblemet, Onur Gökçe, Yuksel Temiz og Emmanuel Delamarche fra IBM Research-Zürich ramte tanken om at strække en vanddråbe til en lang båndlignende form i en mikrokanal på bredden af ​​et menneskehår, og tvinger væsken til at folde sig over på sig selv. Derved, vandprøven lukker på en måde, der ligner en lynlås, der fastgøres.

"Denne meget spændende proces giver os mulighed for at reducere, til et minimum, væskens strømningshastighed lokalt, hvor de tørrede reagenser er så når reagenserne rehydratiseres, de spredes ikke længere, "forklarer Emmanuel Delamarche, leder af gruppen Precision Diagnostics hos IBM Research-Zurich.

Selvom de observerede resultater var afgørende, holdet studerede fænomenet væskedynamik på arbejdet, så det kunne udnyttes som en del af en pålidelig proces. Professor Thomas Gervais, leder af Microfluidics for Oncology Laboratory ved Polytechnique, tacklet den del af projektet.

Fra eksperimentering til modellering

Ved yderligere at studere vanddråbens opførsel, forskerne konkluderede, at det var relateret til fænomenet koalescens, et eksempel heraf ses ved spontan sammenlægning af to dråber væske, der kommer i kontakt med hinanden. Fysisk set, koalescens stammer fra den stærke affinitet mellem vandmolekyler, hvis virkning er at reducere overfladen af ​​vand udsat for luften til et minimum. Derfor er små vanddråber sfæriske:af alle geometriske former, kuglen har det mindste overfladeareal for et givet volumen.

"I dette tilfælde, imidlertid, vi var nødt til at undersøge, hvad der sker, når en vanddråbe forvrænget i en mikrokanal samler sig med en anden del af sig selv, "Professor Gervais forklarer." Vores mål var at forstå fænomenet og kontrollere det, så vi kunne tvinge væsken til at stagnere på det præcise sted, hvor den møder et reagens inde i enheden. "

modellering af fænomenet, som teamet kaldte "selvkonsolidering, "var baseret på en matematisk tilgang udviklet i 1950'erne for at studere ubegrænsede todimensionale viskøse strømme. Arbejdet blev udført ved hjælp af beregningsteknikker udviklet af Samuel Castonguay, der afslutter sin ph.d. i ingeniørfysik ved Polytechnique under professor Gervais ledelse. For at harmonisere modelleringsresultaterne med eksperimentelle resultater, Mr. Castonguay tog til Zürich, arbejdet i et par måneder med IBM -forskerne.

"Ikke alene har vores modeller sat os i stand til at mestre denne nye type flow, men vi kan også meget præcist programmere rumlige og tidsmæssige konfigurationer af kemiske signaler ved hjælp af en kombination af reagenser, med minimal spredning, og uden behov for brugerindgreb, "Professor Gervais bemærker." Partnerskabet mellem vores to teams har derfor født en roman, særlig fleksibel og præcis biokemisk testarkitektur, som bevarer brugssekvensen for snesevis af reagenser samtidigt under en test. "

Mod målrettede mobile diagnostiske værktøjer

IBM -teamet demonstrerede også, at denne type arkitektur kunne bruges til at måle enzymatiske reaktioner, med øje for at opdage forskellige sygdomme (genetiske sygdomme, for eksempel). Det viste også et proof-of-concept for en metode til DNA-amplifikation, en reaktion, der bruges til at producere kopier af et specifikt DNA -segment fra en prøve, ved omgivelsestemperatur. Metoden eliminerer behovet for en tekniker til at udføre gentagne opvarmnings- og afkølingscyklusser på prøven. En enkelt prøvedråbe indsættes i enheden, og analyse udføres automatisk. Dette eksperiment viser potentiale for fremtidig brug af processen til at udføre DNA -sekventering af gener forbundet med patologier såsom kræft, og til at opdage visse vira.

"Vores håb er, at vores proces vil gøre lab-on-a-chip-producenter i stand til at opnå hidtil uset diagnostisk ydeevne, med produkter, der er lige så enkle at bruge som nutidens glukosemålere, "Dr. Delamarche siger.

Endelig, i betragtning af at de biokemiske signaler registreret ved denne type test sandsynligvis kunne læses af en smartphone og overføres til en centraliseret databank, testene kan også spille en vigtig fremtidig rolle i overvågningen af ​​spredning af epidemier i fjerntliggende regioner langt fra medicinske centre, og på nationalt og internationalt niveau screening for forskellige sygdomme.