Integreret lab-on-a-chip bruger smartphone til hurtigt at opdage flere patogener

En tværfaglig gruppe, der omfatter University of Illinois i Urbana-Champaign og University of Washington i Tacoma, har udviklet en ny platform til at diagnosticere infektionssygdomme på plejestedet, ved at bruge en smartphone som detektionsinstrument sammen med et testsæt i kreditkortformat. Gruppen ledes af Illinois Electrical and Computer Engineering Professor Brian T. Cunningham; Illinois bioingeniør professor Rashid Bashir; og, University of Washington i Tacoma Professor David L. Hirschberg, der er tilknyttet Naturvidenskab og Matematik, afdeling af School of Interdisciplinary Arts and Sciences.

Resultaterne er blevet offentliggjort i Analytisk kemi , demonstrerer påvisning af fire luftvejssygdomme hos heste, og i Biomedicinske mikroanordninger , hvor systemet blev brugt til at detektere og kvantificere tilstedeværelsen af ​​Zika, Dengue, og Chikungunya-virus i en dråbe fuldblod. Projektsamarbejdspartnere omfatter Dr. David Nash, en privat praktiserende hesteekspert og dyrlæge i Kentucky, og Dr. Ian Brooks, en datalog ved National Center for Supercomputing Applications.

De lave omkostninger, transportabel, smartphone-integreret system giver en lovende løsning til at løse udfordringerne ved infektionssygdomsdiagnostik, især i ressourcebegrænsede indstillinger eller i situationer, hvor et resultat er nødvendigt med det samme. Det diagnostiske værktøjs integration med mobil kommunikationsteknologi muliggør personlig patientpleje og letter informationshåndtering for både sundhedsudbydere og epidemiologiske overvågningsindsatser. Vigtigt, systemet opnår detektionsgrænser, der kan sammenlignes med dem, der opnås med laboratoriebaserede metoder og instrumenter, på cirka 30 minutter.

En nyttig funktion til human point-of-care (POC) diagnose eller til et mobilt veterinærlaboratorium, er at teste samtidigt for tilstedeværelsen af ​​mere end ét patogen med en enkelt testprotokol, hvilket sænker omkostningerne, sparer tid og kræfter, og giver mulighed for et panel af patogener, som kan forårsage lignende symptomer, at blive identificeret.

Infektionssygdomme er fortsat verdens største bidragydere til menneskelig død og handicap, og med nylige udbrud af Zika-virusinfektioner, der er et stort behov for simple, følsom, og let oversættelige point-of-care tests. Zika-virus dukkede op i det internationale søgelys i slutningen af ​​2015, da der dukkede beviser op for en mulig sammenhæng mellem en epidemi, der påvirker Brasilien og øget forekomst af mikrocefali hos nyfødte. Zika er blevet et udbredt globalt problem - Verdenssundhedsorganisationen (WHO) dokumenterede sidste år, at siden juni 2016, 60 nationer og territorier rapporterer om igangværende myggebåren smitte. Derudover da Zika-virusinfektion deler symptomer med andre sygdomme som dengue og Chikungunya, hurtig, nøjagtig diagnose er påkrævet for at differentiere disse infektioner og for at bestemme behovet for aggressiv behandling eller karantæne.

For forskningsindsatsen, heste blev brugt som en dyremodel for luftvejssygdomme hos mennesker og foderdyr. Dr. David Nash siger:"Man kan ofte lettere udvikle diagnostiske værktøjer til menneskelig brug ved først at komme ind på udviklingen fra dyrenes side. Mange sygdomme viser sig først hos dyr, en slags kanariefugl i kulminen."

En vigtig projektbidragyder, Dr. Nash kommenterer de økonomiske konsekvenser af udbrud af infektionssygdomme hos heste:"Det er dyrt for hesteejere og trænere, og forstyrrer forretningsdriften for alle hestesportsgrene. Overvej dette – den 25. december, I 2016 oplevede en enkelt hest, der var opstaldet på Fair Grounds Race Course i New Orleans, feber og udviklede efterfølgende neurologiske symptomer. Statens diagnostiske laboratorium var 100 miles væk og var lukket på grund af juleferien. Slutresultatet var et equine herpesvirus-1 (EHV-1) udbrud, der resulterede i karantæne af over 200 heste på væddeløbsbanen og et alvorligt økonomisk tab for hesteejere og væddeløbsbaneejeren, Churchill Downs, Inc. Forestil dig konsekvenserne, hvis de nogensinde skulle udsætte Kentucky Derby på grund af et sygdomsudbrud."

Teknologien er beregnet til at gøre det muligt for klinikere hurtigt at diagnosticere sygdom på deres kontor eller i felten, resulterede i tidligere, mere informerede beslutninger om patienthåndtering, samtidig med at kontrollen med sygdomsudbrud markant forbedres. En vigtig forudsætning for den udbredte anvendelse af point-of-care tests ved patientens side er tilgængeligheden af ​​detektionsinstrumenter, der er billige, transportabel, og i stand til at dele data trådløst over internettet.

Systemet bruger en kommerciel smartphone til at erhverve og fortolke realtidsbilleder af en enzymatisk amplifikationsreaktion, der finder sted i en siliciummikrofluidisk chip, der genererer grøn fluorescens og viser en visuel udlæsning af testen. Systemet er sammensat af en umodificeret smartphone og en bærbar 3D-printet holder, der understøtter de optiske og elektriske komponenter, og grænseflader med det bagudvendte kamera på smartphonen.

Softwareapplikationen, der fungerer på smartphonen, indsamler information om de test, der er udført på mikrofluidkortet, patientspecifik information, og resultaterne fra analyserne, som derefter kommunikeres til en cloud storage-database.

Dr. Nash bemærker, at "Dette projekt er en game changer. Dette er fremtiden for medicin – bemyndigede sundhedsprofessionelle i frontlinjen. Vi kan ikke stoppe vira og bakterier, men vi kan diagnosticere hurtigere. Vi var i stand til at demonstrere den klare fordel for menneskeheden, såvel som til dyr, under projektets forslagsfase, og vores resultater har bevist vores præmis. Næste, Jeg vil ud i marken, flere websteder, flere geografiske placeringer, og test i virkelige situationer."

U af I kandidatstuderende og forskningsassistent Fu Sun ser dette projekt som opfyldelse af et af hendes primære karrieremål:"Jeg gik ind på kandidatskolen med håbet om at gøre en bedre verden ved at udvikle biomedicinsk udstyr, der kan lette effektiv sygdomsforebyggelse, diagnose, eller behandling. Dette projekt er i tråd med mit mål, da det giver en point-of-care løsning til hurtig diagnosticering af infektionssygdomme. Forbundet til en cloud-database via en smartphone, det hjælper sundhedsudbydere på området med at omfavne æraen med big data og tingenes internet."

Systemet repræsenterer den eneste platform til dato, der kan multiplekse detektion af virale og andre nukleinsyremål på et bærbart point-of-care-setup ved hjælp af en dråbe kropsvæske, inklusive fuldblod.

For Dr. Nash var oplevelsen af ​​at arbejde med University of Illinois-teamet og andre projektsamarbejdspartnere en fantastisk oplevelse, som han bemærker "Et mangfoldigt team blev faktisk skabt her. En ond, smart gruppe mennesker! Jeg kan ikke forestille mig at gå ind i et projekt uden ingeniører nu."