Registrering af flere sepsis -biomarkører fra fuldblod - hurtigt, nøjagtig, og billige

Mange livstruende medicinske tilstande, såsom sepsis, som udløses af blodbårne patogener, ikke kan detekteres præcist og hurtigt nok til at starte det rigtige behandlingsforløb. Hos patienter, der er blevet inficeret af et ukendt patogen og udvikler sig til åbenlys sepsis, hver ekstra time, hvor et effektivt antibiotikum ikke kan administreres, øger dødeligheden markant, så tiden er af største vigtighed.

Udfordringen med hurtig diagnosticering af sepsis stammer fra, at måling af kun en biomarkør ofte ikke tillader en klar diagnose. Ingeniører har kæmpet i årtier for samtidig at kvantificere flere biomarkører i fuldblod med høj specificitet og følsomhed for point-of-care (POC) diagnostiske applikationer, da dette ville undgå tidskrævende og dyre blodbehandlingstrin, hvor informative biomarkørmolekyler potentielt kan gå tabt .

Nu, et tværfagligt team ved Harvards Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering og University of Bath, Storbritannien, ledet af Wyss Founding Director Donald Ingber, M.D., Ph.d., og Wyss Senior Staff Scientist Pawan Jolly, Ph.d., har videreudviklet instituttets eRapid-teknologi som en affinitetsbaseret, billig elektrokemisk diagnostisk sensorplatform til multiplexeret detektion af klinisk relevante biomarkører i fuldblod. Enheden anvender en ny grafen-nanokomposit-baseret overfladebelægning og blev påvist at nøjagtigt påvise tre forskellige sepsis-biomarkører samtidigt. Resultaterne er rapporteret i Avancerede funktionelle materialer .

"I dette studie, vi har taget et vigtigt skridt i retning af at implementere vores elektrokemiske sensorplatform i kliniske omgivelser til hurtig og følsom påvisning af flere analytter i menneskeligt fuldblod. Da den nanokompositbelægning, vi udviklede her, er billig, det har potentiale til at revolutionere point-of-care diagnostik ikke kun for at teste for sepsis biomarkører, men en meget bredere vifte af biomarkører, der kan multiplexeres i sæt til at rapportere om tilstanden for mange sygdomme og tilstande, "sagde Ingber, som også er leder af Wyss Institute's Bioinspired Therapeutics and Diagnostics platform, og Judah Folkman professor i vaskulær biologi ved Harvard Medical School og Boston Children's Hospital, og professor i bioingeniør ved SEAS.

Ingber, Jolly og deres Wyss-team udvikler i øjeblikket også eRapid elektrokemiske sensorer med den nyudviklede grafenbaserede nanokompositbelægning som en kritisk komponent i en point-of-care diagnostik for COVID, traumatisk hjerneskade, myokardieinfarkt, og mange andre lidelser.

Ved at udvikle deres elektrokemiske sepsis-sensing teknologi, Ingbers team bygger på tidligere arbejde offentliggjort i Naturnanoteknologi , hvor de havde løst problemet med "biofouling" med elektrokemiske sanseelementer med deres eRapid-teknologi. I teorien, elektrokemiske biosensorer ville være at foretrække til mange kliniske anvendelser på grund af deres evne til at kvantificere indholdet af biologiske prøver ved direkte at konvertere en biomarkørs bindingshændelse til et elektronisk signal, deres lave strømforbrug og omkostninger, og let integration med diagnostiske læsere. Imidlertid, især når man bruger fuldblod, mange blodkomponenter binder uspecifikt til overfladebelægningerne på sensorernes elektroder og fører til deres nedbrydning, samt elektrisk støj i form af falske signaler.

Teamets eRapid -teknologi bruger en ny antifouling -nanokompositbelægning til elektroder, hvortil der er knyttet bindingsreagenser, der fanger biomarkørmolekyler fra små mængder blod og andre komplekse biologiske væsker. Ved kemisk påvisning af et af disse biomarkørmolekyler med høj følsomhed og selektivitet, eRapid -platformen genererer et elektrisk signal ved elektroderne, der korrelerer i styrke med niveauerne af målmolekyler, der detekteres. Den indledende nanokompositbelægning tillod fremragende omdannelse af kemiske til elektriske signaler, og stolede på bittesmå elektrisk ledende guld -nanotråde, der var indlejret i en matrix af et tværbundet protein kendt som bovint serumalbumin. Imidlertid, de høje omkostninger ved guldmaterialerne havde været den største barriere for kommercialisering af eRapid til kliniske anvendelser.

"I vores avancerede eRapid -version, vi erstattede belægningens guld nanotråde med grafenoxid nanoflakes, der også har antifouling og elektrokemiske egenskaber, men de er meget billigere og tillader endnu mere følsomme målinger. Faktisk, omkostningerne ved fremstilling af nanokomposit blev reduceret til en brøkdel af dens oprindelige omkostninger, som sammen med sansningsteknologiens hastighed, effektivitet, og alsidighed bør gøre det muligt for eRapid -platformen at få øjeblikkelig kommerciel indvirkning, "sagde Jolly.

Efter optimering og karakterisering af deres nanokompositbelægning i bindingsassays for det inflammatoriske cytokininterleukin 6, holdet anvendte det til diagnosen sepsis. I det væsentlige, ved at binde et antistofmolekyle til belægningen, der binder procalcitonin (PCT), og tilføjelse af et andet PCT-specifikt antistof til komplekset, der er knyttet til et enzym, et bundfald dannes fra et kemisk substrat og afsættes på belægningen. Dette ændrer strømmen af ​​elektroner, der når elektroden, og hjælper med at registrere PCT -bindingshændelsen som et elektronisk signal.

"Vi demonstrerede, at dette elektrokemiske sensorelement kan detektere PCT med høj nøjagtighed i fuldblod, og validerede det ved at kvantificere PCT -niveauer i 21 kliniske prøver, direkte sammenligning med en konventionel ELISA -analyse - med fremragende korrelation, "sagde førsteforfatter Uroš Zupančič, som var gæsteforsker i Ingbers gruppe fra University of Bath. Zupančič er ph.d. kandidat vejledt af undersøgelsens medforfattere Despina Moschou, Ph.d., lektor ved University of Bath, og Pedro Estrela, Ph.d., Lektor og leder af Center for Biosensorer, Bioelektronik og bioenheder på universitetet.

Holdet udvidede derefter deres tilgang til samtidig at detektere flere sepsis biomarkører ved også at designe sensorelementer til C-reaktivt protein, en anden sepsis biomarkør, og patogenassocierede molekylære mønstre (PAMP'er). PAMP-sensorelementet udnytter især Wyss Institutes bredspektrede patogenopsamlingsteknologi, der bruger et genetisk manipuleret protein kaldet FcMBL, som binder mere end 100 forskellige patogener i alle klasser, samt molekyler på deres overflader, der frigives til blod, når patogener dræbes (PAMP'er) og virker til at udløse sepsis -kaskaden.

"Montering af tre dedikerede elektrokemiske sensorelementer til biomarkører, der kan være til stede i blod ved vidt forskellige koncentrationer på en enkelt chip, udgjorde en betydelig udfordring. de tre elementer i den endelige sensor udviste specifikke responser inden for det klinisk signifikante område uden at forstyrre hinanden, og de gjorde det med en behandlingstid på 51 minutter, som opfylder det kliniske behov for sepsis -diagnose inden for den første time, "sagde Zumpančič.

For at gøre den nuværende eRapid -teknologi endnu mere effektiv og nyttig til klinisk prøveanalyse, teamet integrerede det med et mikrofluid system, der fjerner det menneskelige element, der er involveret i håndtering af sensoren i laboratoriet, og øger antallet af biomarkørbindingshændelser på dens overflade. Dette gør det muligt at automatisere biomarkøranalyse med systemet, og gjorde det muligt for forskerne at reducere behandlingstiden for måling af PCT til 7 minutter.