Ny 3-D-printet teknologi sænker omkostningerne ved almindelig medicinsk test

Et ønske om en enklere, billigere måde at udføre almindelige laboratorietests for medicinske diagnoser og undgå at "vaske op", fik forskere fra University of Connecticut til at udvikle en ny teknologi, der reducerer omkostninger og tid.

Deres pipettebaserede teknologi kan også hjælpe med at gøre visse medicinske tests tilgængelige i landdistrikter eller fjerntliggende områder, hvor traditionelle metoder ellers kan være uoverkommeligt dyre og komplicerede at udføre.

Den 3-D-printede pipettespids-test udviklet af forskerne udnytter det, der længe har været guldstandarden for måling af proteiner, bakterier, antistoffer og andre biomolekyler i komplekse matricer, " siger de. Metoden anvender stadig det enzym-forbundne immunosorbent assay, også kendt som ELISA, men ad en anden vej. De detaljerede deres resultater i et papir for nylig offentliggjort online i Analytisk kemi .

I 30 år eller mere, ELISA er blevet brugt til at teste blod, celler og andre biologiske prøver for alt fra visse kræftformer til HIV, fra borreliose til perniciøs anæmi.

Traditionelle ELISA-tests udføres på plader med 96 mikrobrønde; hver brønd fungerer som et separat testkammer, hvor prøver kan kombineres med forskellige midler, som derefter vil reagere med prøven, typisk ved at skifte farve. Teknikere kan derefter analysere, om en prøve indeholder indikatorer for en bestemt sygdom eller tilstand afhængigt af intensiteten af ​​den farve, der produceres under reaktionen.

Selvom det er effektivt og præcist, det udstyr, der bruges til at køre ELISA, er dyrt - det koster ofte tusindvis af dollars at installere i et laboratorium - og kræver specialiseret træning for at udføre test, da ukorrekte teknikker kan føre til forkerte resultater. De midler, der bruges i de faktiske tests - normalt forskellige former for antistoffer - kan også være dyre.

Ligesom mange forskningslaboratorier, James Ruslings kemilaboratorium, hvor forskningsassistent Mohamed Sharafeldin og hans primære samarbejdspartner, Karteek Kadimisetty '18 Ph.D., udførte deres arbejde, har ikke en automatisk ELISA vaskemaskine, hvilket betyder, at plader, der bruges til test, skal vaskes manuelt - en tidskrævende og vanskelig proces.

"ELISA-vasketeknikkerne tager evigheder, " sagde Sharafeldin, som i øjeblikket arbejder hen imod sin doktorgrad i kemi. "Det er meget hårdt, især i et laboratorium som vores. Vi har ikke den slags smarte vaskemaskiner."

Da Kadimisetty kørte ELISA en dag, han nævnte, "Jeg ville ønske at ELISA var lige så simpelt som at pipettere." Den direkte kommentar var drivkraften til det, der fulgte:et design til en 3-D-printet adapter til almindeligt anvendte pipetter, der kunne køre en ELISA-test lige i pipettespidsen, uden behov for en traditionel ELISA-plade og det dyre udstyr, der følger med.

Hver engangspipettespids repræsenterer en mikrobrønd på en ELISA-plade; forskerne designet også en version med flere spidser, der giver mulighed for at pipettere otte spidser på samme tid. Spidserne passer tæt på de fleste pipetter, der bruges i laboratoriemiljøer, gør væskehåndtering meget nemmere end med standard ELISA-pladen.

"Vi ønskede ikke at lave en stor ændring i den traditionelle ELISA; vi lavede bare konstrueret, kontrollerede ændringer, " sagde Sharafeldin. "Så, det grundlæggende er det samme. Vi bruger de samme antistoffer i de samme koncentrationer, som de bruger med konventionel eller traditionel ELISA, så vi bruger de samme protokoller. Alt, der kan køres ved normal ELISA, kan køres ved dette, med fordelen af ​​at være billigere, meget hurtigere og tilgængeligt."

Forskerne testede pipettespidserne på prøver fra prostatacancerpatienter og fandt ikke blot, at testresultaterne fra spidserne var lige så nøjagtige som ELISA-tests, de var i stand til at udføre testene med en tiendedel af mængden af ​​testmiddel - hvilket reducerede de samlede omkostninger ved testen markant - og på en brøkdel af tiden. Test udført af forskellige brugere med forskellige færdighedsniveauer viste i sidste ende de samme resultater.

Traditionelle ELISA-plademikrobrønde rummer 400 mikroliter væske hver, men de reaktioner, der er nødvendige for at måle testresultater, forekommer kun på brøndens plastikvægge. Mens de 3-D-printede ELISA-spidser kun rummer 50 mikroliter, designet af reservoiret inde i spidsen øger dramatisk overfladearealet, hvor reaktioner opstår, giver forskerne mulighed for at bruge meget mindre af de dyre antistoffer, der bruges til at udføre testen, og reducerer den tid, der er nødvendig for at behandle testen og læse resultaterne, markant.

"Her har vi et kammer, hvor reaktionen sker på alle punkter, Sharafeldin sagde, med henvisning til pipettespidsdesignet. "Dette reducerer tiden for analysen, hvilket er en vigtig ting, fordi ELISA-analysen tager fra fem til otte timer at køre. Denne kan køres på 90 minutter."

Pipettespidserne kræver heller ikke en dyr eller sofistikeret pladelæser for at bestemme testresultater, som ELISA-test gør. I forsøgene med prostatacancerprøverne, pipettespidsens resultater blev nøjagtigt aflæst ved at tage et mobiltelefonbillede og bruge en gratis app, der måler farveintensiteten i billedet.

Fordelen, Sharafeldin sagde, er, at brugeren, der udfører testen med pipettespidserne, ikke behøver at være en videnskabsmand; de har bare brug for simple pipetteringsinstruktioner, derefter at tage et billede og sende det til en tekniker, der kunne fjernaflæse resultaterne for at hjælpe med at stille en diagnose - potentielt give nye, billigere testmuligheder i landdistrikter eller isolerede områder, hvor etablering af et traditionelt ELISA-laboratorium ville vise sig udfordrende og dyrt.

Selvom der er behov for yderligere prøvetest, Sharafeldin er optimistisk med hensyn til det fremtidige potentiale for pipettespidsdesignet for at reducere omkostningerne. Han samarbejder også med ingeniører om at designe en automatiseret, vakuumassisteret pipette, der yderligere vil lette brugen af ​​pipettespidserne og udførelsen af ​​ELISA-tests, og vil være tilgængeligt for væsentligt mindre omkostninger end traditionelt ELISA-udstyr.