Miniature teknologi, stort håb for sygdomsopdagelse

Medicinområdet er altid på udkig efter bedre sygdomsdiagnostiske værktøjer - enklere, hurtigere, og billigere teknologier til at forbedre patientbehandling og -resultater. I øjeblikket, mikrofluidiske bioassay-enheder er de foretrukne diagnostiske værktøjer, der gør det muligt for klinikere at måle koncentrationen af ​​sygdomsbiomarkører i en patients biologiske prøve, såsom blod. De kan indikere sandsynligheden for en sygdom baseret på en sammenligning af biomarkørkoncentrationen i prøven i forhold til det normale niveau. For at opdage denne koncentration, patientens prøve føres hen over en overflade, der indeholder immobiliserede bioreceptorer, eller "biomarkør-fangende" molekyler, der er blevet knyttet til denne overflade. En forsker kan derefter registrere mængden af ​​biomarkører, afgøre, om niveauet er normalt, og nå frem til en diagnose. Da effektiviteten af ​​disse enheder afhænger af, hvor intakte og funktionelle de vedhæftede bioreceptorer er, immobilisering af disse bioreceptorer uden at forårsage skade har vist sig skræmmende.

I løbet af de sidste to årtier, mikrokontakt udskrivning, som bruger et gummistempel til at immobilisere bioreceptorerne, er blevet etableret som en robust metode til at skabe en række analyser med flere applikationer. Men denne metode har også sine mangler, især når det bruges på nano-skalaen - den skala, hvor proteiner og DNA hersker. I denne skala, de barske og komplicerede teknikker, der i øjeblikket anvendes, kompromitterer enhedens opløsning, enten ved at deformere stemplet eller beskadige bioreceptorerne, hvilket giver data, der er noget uoverskuelige til brug i diagnostik eller andre applikationer. Imidlertid, i en nylig artikel offentliggjort i tidsskriftet analytiker , forskere ved Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) beskriver en ny sekvens af udskrivningstrin, der har rettet disse problemer.

Til mikrokontaktudskrivning, "du har brug for et stempel, en blæk, og en overflade, og så laver du dit mønster på din overflade. Så enkelt er det, " forklarer Shivani Sathish, OIST ph.d.-studerende i Micro/Bio/Nanofluidics Unit, og første forfatter på papiret.

Stemplet er lavet af polydimethylsiloxan, som er et fleksibelt fast stof, der ligner det gummi, der bruges i hverdagsfrimærker. Blækket er en opløsning sammensat af silicium- og oxidholdige molekyler kaldet APTES, og overfladen er glas. Efter at have belagt stemplet med blækket, frimærket trykkes på glasset, og derefter fjernet efter en kort inkubation. Resultatet er et mønstret lag af APTES på glasset - et skakternet af områder med eller uden APTES. Næste, en mikrofluidisk enhed, som indeholder en eller flere mikrokanaler konfigureret til at lede væske gennem specificerede veje, er forseglet over det mønstrede glas. Endelig, bioreceptorerne er kemisk forbundet med APTES-regionerne i de mikrofluidiske kanaler. Enheden som helhed er på størrelse med et frimærke.

Systemet er nu klar til brug som et diagnostisk assay. For at udføre analysen, en væskeprøve fra en patient leveres gennem den mikrofluidiske enhed, der er fastgjort til glasset. Hvis den relevante sygdomsbiomarkør er til stede, molekylet vil "klæbe" til de områder, der indeholder bioreceptorerne.

Det, der er vigtigt ved APTES-løsningen, er dens bekvemme kemi. "Afhængig af din bioreceptor af interesse, du skal bare vælge den passende kemi for at forbinde molekylet med APTES, " forklarer fru Sathish. Eller med andre ord, ét stempel kan bruges til at forberede et assay med evnen til at immobilisere en række forskellige bioreceptorer – ét stempel giver mulighed for flere tests og diagnoser på en enkelt overflade. Denne funktion ville være fordelagtig til diagnosticering af komplekse sygdomme såsom kræft, som er afhængig af tests, der kan detektere flere markører for at forbedre diagnosen.

I deres forskning, Ms. Sathish og kolleger udviklede en forbedret teknik til at skabe den mest optimale sygdomsdiagnostiske enhed til brug på nanoskalaen. Her, de mønstrede først træk ved APTES i nanoskala ved hjælp af en blæk lavet af APTES i vand, i modsætning til skrappe kemikalier, hvilket eliminerede problemet med frimærkehævelse. Derefter, de immobiliserede bioreceptorerne på overfladen som det allersidste trin i processen, efter at have mønstret APTES og fastgjort den mikrofluidiske enhed. Ved at vedhæfte bioreceptorerne som det sidste trin, forskerne undgik at udsætte dem for ekstreme og skadelige forhold. De demonstrerede derefter effektiviteten af ​​den endelige enhed ved at køre en analyse for at fange biomarkørerne interleukin 6 og humant c-reaktivt protein, to stoffer, der ofte er forhøjet i kroppen under betændelse.

"Det endelige mål er at skabe en point-of-care enhed, " forklarer OIST-professor Amy Shen, der stod i spidsen for forskningen.

"Hvis du får dine bioreceptorer præ-immobiliseret i mikrofluidiske enheder, kan du derefter bruge dem som diagnostiske værktøjer, når og når det er nødvendigt, " Ms. Sathish fortsætter. "[Til sidst] i stedet for at have et helt klinisk team, der behandler din prøve... håber vi, at patienterne kan gøre det selv derhjemme."