Ingeniører kan opdage ultra sjældne proteiner i blodet ved hjælp af et mobiltelefonkamera

En af grænserne for medicinsk diagnostik er kapløbet om mere følsomme blodprøver. Evnen til at opdage ekstremt sjældne proteiner kan gøre en livreddende forskel for mange tilstande, såsom tidlig opdagelse af visse kræftformer eller diagnosticering af traumatisk hjerneskade, hvor de relevante biomarkører kun optræder i forsvindende små mængder.

Kommercielle tilgange til ultrasensitiv proteindetektion begynder at blive tilgængelige, men de er baseret på dyr optik og væskehåndtering, hvilket gør dem relativt omfangsrige og dyre og begrænser deres brug til laboratoriemiljøer.

Velvidende, at det ville være afgørende for mange tilstande at have denne form for diagnosesystem til rådighed som en point-of-care-enhed, især traumatisk hjerneskade, ingeniører ved University of Pennsylvania har udviklet en test, der bruger hyldekomponenter og kan detektere enkelte proteiner med resultater i løbet af få minutter, sammenlignet med den traditionelle arbejdsgang, hvilket kan tage dage.

Ved at bruge et standard mobiltelefonkamera og et sæt blinkende LED-lys, kombineret med laboratoriets mikrofluidiske dråbegeneratorer, holdet har udviklet et system, der er tusind gange mere følsomt end standardproteinanalysen, er håndholdt, og betydeligt billigere end de nuværende state-of-the-art enkeltproteintests, der først kommer på markedet.

Forskerne, ledet af David Issadore, assisterende professor i Penn Engineering's Institut for Bioteknik, og kandidatstuderende Venkata R. Yelleswarapu, demonstrerede deres system i en undersøgelse offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Standardproteindetektionsanalysen, ELISA, involverer at binde antistoffer til de pågældende proteiner, derefter måle, hvor meget prøvens farve ændrer sig som reaktion på enzymer knyttet til antistofferne. Denne proces er hurtig og enkel nok til at blive inkorporeret i point-of-care-enheder, ligesom hiv-test i hjemmet, men virker kun, når proteinerne er i store koncentrationer.

Der er i øjeblikket meget få biomarkører for traumatisk hjerneskade, fordi meget få af proteinmarkørerne for disse skader kommer igennem blod-hjerne-barrieren. Medicinske forskere har først for nylig bekræftet, at sådanne markører kan bruges til en blodprøve, og på grund af deres ultralave koncentrationer, denne test skulle være meget mere følsom end standard ELISA-arrayet.

"Tusind gange mere følsom, '" Issadore siger, "Vi mener, at hvis vi havde et hætteglas med blod med kun få af de relevante proteiner, vi kan nøjagtigt tælle disse proteiner, hvorimod en traditionel test ikke pålideligt kunne se forskel på det hætteglas med blod og en uden protein i sig. Når du bliver ved med at øge antallet af proteiner, den traditionelle test vil i sidste ende være i stand til at opdage dem, men vi kan kvantificere antallet af proteiner i koncentrationer tusind gange mindre, end de kan."

Issadores tilgang virker ved at måle ét protein ad gangen, ved at opdele prøven i mikrodråber, som hver indeholder enten et enkelt protein eller slet ingen. Hans laboratoriums ekspertise inden for mikrofluidik har produceret mikrochips ætset med hundredvis af mikrodråbegeneratorer, alle arbejder parallelt.

"Normalt, du skal måle meget præcist, hvor meget en prøve ændrer farve eller fluorescerer, men her gør vi det til titusinder af ja-eller-nej-spørgsmål, " siger Issadore. "At digitalisere det spørgsmål reducerer omkostningerne til kameraet og det omkringliggende væskehåndteringsudstyr, men flytter problemet til, hvordan man behandler titusinder af disse spørgsmål, på en måde, der er reproducerbar, nøjagtig, billig og bærbar."

Mens et hyldekamera kan registrere, om en mikrodråbe indeholder et fluorescerende markør-bundet protein eller ej, den store udfordring var at fremskynde processen. Eksisterende digitale dråbedetektorer stiller dråberne op, så de kan måles en ad gangen. Sådanne systemer er nøjagtige, men omfangsrigt og dyrt. De har også begrænset gennemløb, på grund af behovet for at se på millioner af dråber én ad gangen.

"Tusind dråber i sekundet, gennemstrømningen af ​​konventionelle teknologier, er stadig ret langsom, hvis du skal måle 50 mio. " siger Yelleswarapu.

I stedet for at have en enkelt kanal, forskerne flyder dråber ind i hundredvis af kanaler, der passerer kameraet på samme tid. Flaskehalsen, imidlertid, er hvor hurtigt et kamera kan fange dataene.

"Konventionelt, det ville ikke virke, da eksponeringstiden du ville få fra et almindeligt kamera er sådan, at signalerne fra to dråber ved siden af ​​hinanden ville overlappe hinanden, " siger Yelleswarapu. "Et mobiltelefonkamera tager omkring hundrede billeder i sekundet, og det er alt for langsomt til at være nyttigt for os at løse disse dråber. Men du kan bruge det kamera, hvis lyskilden, du bruger til at belyse dråben, slår tusind gange hurtigere end kameraets billedhastighed."

Tricket, der får Issadore-holdets tilgang til at fungere, var at kode dette stroberende lys med et signal, der ville give dem mulighed for at pirre en mikrodråbe fra naboerne.

"Vi stryger lyset i et meget specifikt mønster, der aldrig gentager sig selv, som er en teknik, vi har lånt fra radar, " siger Issadore. "Når signalerne går hen over skærmen, bliver de påtrykt denne stregkode. Så selvom de overlapper hinanden, vi kan skelne dem fra hinanden ved hvilken strobe-puls, der belyste hver dråbe."

Issadores gruppe har tidligere offentliggjort om traumatiske hjerneskademarkører, og har et igangværende forskningsprojekt med Presbyterian Hospital med hjerneskadepatienter. De har også et spin-off selskab, Chip diagnostik, baseret på Pennovation Center, som har til formål at producere testsæt til tidlig kræftdiagnostik og traumatisk hjerneskade.