Mikrosvampe fra tang kan redde liv (m/ video)

(PhysOrg.com) -- Mikrosvampe afledt af tang kan hjælpe med at diagnosticere hjertesygdomme, kræftformer, HIV og andre sygdomme hurtigt og til langt lavere omkostninger end de nuværende kliniske metoder. Mikrosvampene er en væsentlig komponent i Rice Universitys Programmerbare Bio-Nano-Chip (PBNC) og fokus for et nyt papir i tidsskriftet Lille .

Avisen af ​​John McDevitt, Brown-Wiess professor i bioteknik og kemi, og hans kolleger ved Rice's BioScience Research Collaborative ser på PBNC'ers indre funktion, som McDevitt forestiller sig som et almindeligt medicinsk diagnostisk værktøj.

PBNC'er til at diagnosticere en række sygdomme er i øjeblikket i fokus for seks kliniske forsøg med mennesker. McDevitt vil diskutere deres udvikling på det årlige møde i American Association for the Advancement of Science (AAAS) i Washington, D.C., 17.-21. februar.

PBNC'er fanger biomarkører - molekyler, der giver information om en persons helbred - fundet i blod, spyt og andre kropsvæsker. Biomarkørerne er sekvestreret i bittesmå svampe sat i en række omvendte pyramideformede tragte i mikroprocessorhjertet af PBNC'en i kreditkortstørrelse.

Når en væskeprøve anbringes i engangsanordningen, mikrofluidkanaler leder det til svampene, som er infunderet med antistoffer, der detekterer og fanger specifikke biomarkører. Når først fanget, de kan analyseres inden for få minutter med et sofistikeret mikroskop og computer indbygget i en bærbar, læser i brødristerstørrelse.

Biomarkøropsamlingsprocessen er genstand for Lille papir. Mikrosvampene er 280 mikrometer perler af agarose, en billig, almindelige, laboratorievenligt materiale afledt af tang og ofte brugt som en matrix til dyrkning af levende celler eller indfangning af proteiner.

Skønheden ved agarose er dens evne til at fange en bred vifte af mål fra relativt store proteinbiomarkører til små lægemiddelmetabolitter. I laboratoriet, agarose starter som et pulver, ligesom Jell-O. Når det blandes med varmt vand, det kan formes til geler eller faste stoffer af enhver størrelse. Størrelsen af ​​porerne og kanalerne i agarose kan justeres ned til nanoskalaen.

Udfordringen, McDevitt sagde, var ved at definere et nyt koncept til hurtigt og effektivt at fange og detektere biomarkører i et mikrofluidisk kredsløb. Løsningen udviklet hos Rice er et netværk af mikrosvampe med skræddersyede porestørrelser og nano-net af agarosefibre. Den svampelignende kvalitet gør det muligt at behandle meget væske hurtigt, mens nano-nettet giver et enormt overfladeareal, der kan bruges til at generere optiske signaler 1, 000 gange større end konventionelle enheder i køleskabsstørrelse. Mini-sensorensemblerne, han sagde, pak maksimalt slagkraft.

Holdet fandt ud af, at agaroseperler med en diameter på omkring 280 mikrometer er ideelle til anvendelser i den virkelige verden og kan masseproduceres på en omkostningseffektiv måde. Disse agaroseperler bevarer deres effektivitet til at fange biomarkører, er nemme at håndtere og kræver ikke specialiseret optik for at se.

McDevitt og hans kolleger testede perler med porer op til 620 nanometer og ned til 45 nanometer brede. (Et ark papir er omkring 100, 000 nanometer tyk.) Porer nær 140 nanometer viste sig bedst til at lade proteiner infundere perlernes indre nano-net hurtigt, en egenskab, der gør det muligt for PBNC'er at teste for sygdom på mindre end 15 minutter.

Holdet rapporterede om eksperimenter med to biomarkører, carcinoembryonale antigener og Interleukin-1 beta-proteiner (og matchende antistoffer for begge), købt af laboratoriet. Efter gennemvædning af perlerne i antistofopløsningerne, forskerne testede deres evne til at genkende og fange deres matchende biomarkører. I de bedste tilfælde, de viste næsten total effektivitet (99,5 procent) i påvisningen af ​​perlebundne biomarkører.

McDevitt har i nogen tid forventet, at en tredimensionel perle havde større potentiale til at fange og holde biomarkører end standarden for sådanne tests, den enzymbundne immunosorbent assay (ELISA) teknik. ELISA analyserer væsker placeret i et array af 6,5 millimeter brønde, der har et lag af biomarkøropfangningsmateriale spredt ud i bunden. At få resultater gennem ELISA kræver et laboratorium fyldt med udstyr, han sagde.

"Mængden af ​​optisk signal, du får, afhænger normalt af tykkelsen af ​​en prøve, " sagde McDevitt. "Vand, for eksempel, ser klart ud i et lille glas, men er blå i et hav eller en sø. De fleste moderne kliniske enheder læser signaler fra prøver på flade eller buede overflader, hvilket er som at prøve at se den blå farve af vand i et glas. Det er meget svært«.

Til sammenligning, PBNC'er giver forskerne et hav af information. "Vi skaber en mikrosvamp med ultrahøjt overfladeareal, der opsamler en stor mængde materiale, " sagde han. "Svampen er som en vandmand med tentakler, der fanger biomarkørerne."

Agaroseperlen er konstrueret til at blive usynlig i vand. "Det gør det til et ideelt miljø til at fange biomarkører, fordi matrixen ikke er i vejen for at visualisere indholdet. Dette er en god brug af nye biomaterialer, der er billige som snavs, alligevel yde en kraftfuld ydeevne, " sagde McDevitt.

Ifølge tidligere undersøgelser, kun en brøkdel -- mindre end 10 procent -- af indfangningsantistoffer i "guldstandarden" ELISA-arrays er stadig aktive på det tidspunkt, hvor en test begynder. Til sammenligning, Næsten alle antistofferne i agaroseperlerne bevarer deres evne til at detektere og fange biomarkører, sagde McDevitt.

Ultimativt, han sagde, PBNC'er vil muliggøre hurtige, omkostningseffektive diagnostiske tests for patienter, der er syge, om de er på skadestuen, i en ambulance eller endda mens de bliver behandlet i deres eget hjem. Endnu bedre, chipsene kan en dag give mulighed for hurtig og nem test af de raske for at se efter tidlige advarselstegn på sygdom.