Screening for sygdom eller toksiner i en dråbe blod

Løftet om hurtigt og præcist at kunne screene for sygdomme eller kemiske kontaminanter i en lille dråbe blod har længe været et undvigende mål. Men videnskabsmanden Daojing Wang siger, at hans virksomheds teknologi er op til jobbet.

Som forsker ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), Wang og andre udviklede et multinozzle emitter array (MEA), en siliciumchip, der dramatisk kan forkorte den tid, det tager at identificere proteiner, peptider, og andre molekylære komponenter i små mængder af biologiske prøver. Denne patenterede teknologi bliver nu kommercialiseret af Newomics Inc., et firma Wang lancerede for at videreudvikle produktet og bygge en platform for personlig sundhedspleje.

"Vi kan forbedre følsomheden og gennemstrømningen af ​​massespektrometri til påvisning af biomarkører i blod eller andre biologiske væsker til præcisionsmedicin, " sagde Wang, grundlægger og præsident for virksomheden. "Vores første produkt, M3 emitteren, er op til 10 gange mere følsom end konventionelle emittere, og med nogle analytter, endda 100 gange mere følsom."

Newomics' produkt, som er baseret på kerneteknologien udviklet på Berkeley Lab, er designet til at arbejde med massespektrometre, en maskine, der almindeligvis bruges af forskere, medicinalindustrien, og i stigende grad i kliniske laboratorier, at måle struktur og koncentration af molekyler. Når molekylære dele er isoleret, forskere kan begynde at forstå, hvordan de arbejder sammen som et system, et felt kendt som systembiologi, der har store løfter om bedre medicin og diagnostik samt en lang række andre applikationer.

Hvordan det virker

I sine 11 år på Berkeley Lab, Wang specialiserede sig i at udvikle nye værktøjer og metoder til systembiologi. Hans samarbejdspartnere om emitterteknologien omfattede Berkeley Lab -forskere Pan Mao, tidligere i Labs Life Sciences Division, og Peidong Yang, seniorforsker i Materials Sciences Division.

Han var motiveret til at udvikle denne emitter-teknologi til at accelerere såkaldte "encellede omics, "et spirende felt inden for biologi, hvor DNA, RNA, proteiner, og metabolitter undersøges på individuelt celleniveau, giver ny indsigt i sygdom og immunitet.

Den dominerende metode til analyse af biologiske molekyler såsom peptider og proteiner i en kompleks blanding er elektrosprayioniseringsmassespektrometri (ESI-MS), en teknik, hvor molekylære prøver leveres til maskinen som en ioniseret tåge, drevet af en elektrisk strøm. Men der er en flaskehals i forenden af ​​ESI-MS, gør det langsomt og dyrt. Hver prøve skal indlæses, stillet op, og sprøjtes en ad gangen.

I stedet for en enkelt kapillær, Newomics 'M3 -emitter har otte eller flere dyser, der arbejder sammen for at opdele et enkelt stort flow i mindre strømninger. For MEA, op til 96 M3-emittere er pakket på en enkelt chip. Udviklingen af ​​disse teknologier involverede en blanding af mikrofluid, mikroelektroniske, og elektrokemiske innovationer.

"Forestil dig et brusehoveddesign. Du har et stort flow, der kommer ind, og mange mindre strømme går ud, "Sagde Wang." Du flyder løsningen gennem chippen, og opløsningen sprøjtes ud i dråber. Derefter detekteres molekylerne i dråberne af massespektrometeret. Tanken er, at når du har mindre dråber, du øger ioniseringseffektiviteten og følsomheden for massespektrometri."

Hvad den kan

Ved at rydde op i flaskehalsen og øge gennemløbet, Newomics' emitter kunne dramatisk reducere omkostningerne ved at teste hver prøve. Og ved at forbedre følsomheden, det vil også være muligt at påvise meget lave koncentrationer af molekyler. For eksempel, de viste, at de kunne analysere mange forskellige modificerede former for proteiner såsom glykeret albumin og apolipoproteiner, ud over den konventionelle glukose og HbA1c i diabetesovervågning, ved at bruge en enkelt dråbe blod. Sådanne tests har potentiale til at muliggøre bedre langsigtet overvågning og sygdomshåndtering af diabetes.

"Vi kunne forbedre følsomheden og robustheden af ​​massespektrometri, " sagde Wang. "F.eks. hvis nogen vil se på arter med lavt antal, de kan bruge vores enheder. Og forbedret robusthed betyder, at resultaterne er mere reproducerbare og pålidelige."

Ud over at producere sine emitterprodukter, Newomics udvikler også tjenester til præcisionsmedicin, en ny retning inden for sundhedsvæsenet, hvor behandlinger er tilpasset individer baseret på diagnostiske tests, såsom genomisk, proteomisk, eller molekylær analyse.

"Licensiering af en Berkeley Lab -teknologi som grundlaget for dets opstart og derefter udvikling af et overlegent forskningsværktøj var kun et første skridt for Newomics, " sagde Elsie Quaite-Randall, Berkeley Labs Chief Technology Transfer Officer. "Ved at forgrene sig til nye produkter og servicekategorier, Newomics demonstrerer den vidtrækkende virkning, over tid, af DOE-finansieret grundforskning."

Indtil nu, virksomheden har udviklet blodbaserede analyser til diagnose og behandling af diabetes, og til overvågning af miljøgifte - specielt PFC'er, eller perfluorerede kemikalier menneskeskabte kemikalier, der bruges i et væld af hverdagsprodukter, der er langsomme til at nedbryde i kroppen og kan have negative virkninger på menneskers sundhed.