Forskere bygger chip til at analysere sundheden for hvide blodlegemer

Forskere fra Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) har udviklet et lab-on-a-chip system, der kan identificere sundhedsaspekterne af en persons immunsystem ud fra en dråbe af deres blod, inden for få minutter.

Ved at bruge en kombination af mikrofluidik - små mikroskopiske kanaler, der kan isolere hvide blodlegemer fra blod - og elektriske sensorer, den nye chip var i stand til at opdage forskelle i de elektriske egenskaber af hvide blodlegemer taget fra raske og diabetespatienter.

proof of concept-apparatet kan måske en dag hjælpe læger til hurtigt at få indsigt i en persons immunsystem, og opdage tidlige tegn på betændelse og infektion, der kunne signalere behovet for yderligere dybdegående tests.

Designet og bygget af adjunkt Hou Han Wei og adjunkt Holden Li fra School of Mechanical and Aerospace Engineering, deres opfindelse, hvis det lykkes med yderligere laboratorie- og kliniske vurderinger, kunne omdannes til en bærbar enhed, der er egnet til familieklinikker og poliklinikker.

En prototypeenhed og de tekniske principper bag den blev rapporteret i to peer-reviewede tidsskrifter:Lab on a Chip tidligere på året og Biosensorer og bioelektronik i oktober sidste år.

Da immunsundhed ofte er involveret i hjerte-kar-sygdomme, forskerne siger, at deres enhed potentielt kan være et ekstra screeningsværktøj, som læger kan bruge til tidlig påvisning af hjertesygdomme. I Singapore, hjerte-kar-sygdomme tegnede sig for 30,1 procent af alle dødsfald i 2017, mens diabetes er et alvorligt sundhedsproblem, som påvirker omkring 10 procent af verdens befolkning.

Hvordan opfindelsen virker

Asst Prof Hou, som også er fakultetsmedlem ved Lee Kong Chian School of Medicineat NTU, sagde, at deres chip registrerer elektriske forskelle mellem et sundt hvidt blodlegeme og et usundt. Unormale hvide blodlegemer er blevet rapporteret som en tidlig biomarkør for øget risiko for hjerte-kar-sygdomme og tyder også på en igangværende inflammation.

Ved at bruge meget små kanaler, chippen adskiller først de forskellige blodceller efter størrelse i de forskellige udløb, som en møntsorteringsmaskine. De isolerede hvide blodlegemer køres derefter gennem en speciel kanal, hvor den elektriske impedans måles for hver celle med meget høj hastighed (hundredevis af celler i sekundet).

Den elektriske impedans af en unormal celle er normalt højere end impedansen af ​​en rask celle, givet som unormal celle er større i størrelse og har forskellige membranegenskaber.

Hvide blodlegemer udgør en væsentlig del af kroppens immunsystem og en nøgletype kendt som neutrofiler, er den første forsvarslinje, når infektion eller betændelse rammer.

"Vores chips kan isolere tusindvis af hvide blodlegemer fra en enkelt dråbe blod og, inden for få minutter, fortælle, om disse celler er elektrisk forskellige fra normale, som ville være en indikator for, om der er et sundhedsproblem, der skal undersøges nærmere, " sagde Asst Prof Hou.

"Vigtigere, vores proces bruger heller ingen kemiske biomarkører eller antistoffer, hvilket gør analysen billig, let at bruge, og at vi kan lave yderligere analyser på de samme hvide blodlegemer, som vi allerede har kørt gennem chippen."

Mulig brug i kliniske tests

Asst Prof Holden Li siger, at materialet, der bruges til at lave den nye lab-on-a-chip, er en almindelig polymer af medicinsk kvalitet og er let fremstillet ved hjælp af eksisterende maskiner, og kan laves om til en stationær maskine til brug i klinikker.

"Vores chip er designet til nem opskalering af virksomheder, med et integreret system bygget af elektroniske komponenter, der er tilgængelige på markedet. Bevæger sig fremad, vi søger at kommercialisere teknologien med en industripartner, da vi ser, at der er efterspørgsel på markedet – efter et point-of-care-apparat til læger og som laboratorieudstyr til undersøgelse af neutrofiler og lægemiddelscreening, " sagde Prof Li.

Forskerne tilføjede, at de også forsker mere i de forskellige elektriske impedansniveauer, og hvad hver af dem betyder, for at bygge en slags referencebibliotek til automatiseret analyse, og vil arbejde sammen med læger om at teste deres prototype i kliniske omgivelser.

at give en uafhængig mening om forskningen, Professor Bernhard Böhm, Ong Tiong Tat professor i diabetesforskning ved NTU's Lee Kong Chian School of Medicine, nævnte mange diabetespatienter er også modtagelige for kroniske infektioner på grund af sygdom, der påvirker immunsystemets ydeevne.

"Der er en række begrænsninger ved at bruge konventionelle diagnostiske markører til patienter med klinisk mistanke om infektion. Der er især behov for at forbedre tidlig diagnosticering af bakterielle infektioner og at give vejledning til antibiotikabehandling."

"Derfor, et testsystem, der hurtigt kan vejlede beslutninger om initiering af specifikke terapier, ville være til stor hjælp i en klinisk sammenhæng. Imidlertid, dette vil i den nærmeste fremtid kræve randomiserede kontrollerede kliniske forsøg for at give formelt bevis for, at det nye testsystem er overlegent i forhold til de aktuelt anvendte konventionelle diagnostiske procedurer, " tilføjede prof Böhm, som ikke var en del af denne undersøgelse.

Værktøj til at studere immunforsvarsmekanismer

Den nye enhed kan også være meget nyttig til studiet af NETosis, en nyopdaget forsvarsmekanisme inden for immunologi.

Under NETosis, neutrofiler spytter DNA-strenge ud, der fanger bakterier og vira, meget som et edderkoppespind, at hæmme deres bevægelser og for at dræbe de fangede patogener. Imidlertid, for meget NETosis bremser også sårheling ved diabetes.

NETosis ekspert, Adjunkt Christine Wong, fra NTU's Lee Kong Chian School of Medicine, som ikke var involveret i denne undersøgelse, siger, at den mest udbredte metode til at studere NETosis-tilbøjelighed i øjeblikket er billeddannelse i realtid eller mikroskopi af fikserede neutrofiler.

Imidlertid, det er en besværlig proces for forskere at isolere neutrofilerne til mikroskopi uden at påvirke deres oprindelige basislinjetilstand, og ikke påvirke eksperimentelle resultater.

"Den nye enhed af Asst Prof Hou og Asst Prof Li kan muliggøre hurtige og ikke-biased NETosis eksperimenter og kvantificering, hvilket vil være særligt nyttigt til lægemiddelscreening ex vivo, " sagde Asst Prof Wong i sin uafhængige kommentar.

"Hvis enheden kan modificeres til at måle NETose i neutrofiler fra mus, dette ville være en glædelig nyhed for forskere, der bruger musemodeller, da lavt neutrofiludbytte er en almindelig hindring i isolering af neutrofile mus på grund af det mindre blodvolumen, der er tilgængeligt i mus og deres lavere myeloide celleforhold sammenlignet med mennesker."

Asst Prof Wong tilføjede, at selvom den nye enhed sandsynligvis ikke vil erstatte mikroskopiske eksperimenter, især når visualisering af cellulære komponenter under NETosis-processen er emnet, de ressourcer, der spares fra NET-kvantificering, kan omdirigeres til disse undersøgelser.