Microneedles teknik kan betyde hurtigere diagnoser af større sygdomme

Når mennesker er i de tidlige stadier af en udiagnosticeret sygdom, øjeblikkelige tests, der fører til behandling, er de bedste første trin. Men en blodprøve - normalt udført af en læge bevæbnet med en ubehageligt stor nål - er måske ikke hurtigst, mindst smertefuld eller mest effektiv metode, ifølge ny forskning.

Nu åbner en teknik ved hjælp af mikronåle, der er i stand til at trække relativt store mængder interstitiel væske - en væske, der lurer lige under huden - nye muligheder. Tidligere har mikronåle - små, hul, nåle i rustfrit stål - har drænet små mængder interstitiel væske, der er nødvendig for at analysere elektrolytniveauer, men kunne ikke trække nok væske til at gøre mere komplicerede medicinske tests praktiske. Den nye metodes større trækninger kunne være mere effektive til hurtigt at måle eksponering for kemiske og biologiske krigsførelsesmidler samt diagnosticere kræft og andre sygdomme, siger forsker og teamleder Sandia National Laboratories Ronen Polsky, som er hovedforsker på projektet sponsoreret af Defense Threat Reduction Agency og Sandias Laboratory Directed Research and Development -program.

"Vi mener, at interstitiel væske har et enormt diagnostisk potentiale, men der har været et problem med at samle tilstrækkelige mængder til klinisk analyse, "sagde Polsky." Dermal interstitiel væske, på grund af dets vigtige regulerende funktioner i kroppen, faktisk bærer flere immunceller end blod, så det kan endda forudsige begyndelsen af ​​nogle sygdomme hurtigere end andre metoder. "

Polsky, sammen med University of New Mexico, US Army Edgewood Chemical Biological Center og andre Sandia -forskere beskrev den nye teknik i et papir fra 22. oktober i Natur tidsskrift Kommunikationsbiologi .

De relativt store mængder ren interstitiel væske ekstraheret, som aldrig før er opnået, gøre det muligt at oprette en database med testbare molekyler, såsom proteiner, nukleotider, små molekyler og andre celle-til-celle-signalblærer kaldet exosomer. Deres tilstedeværelse eller fravær i en patients interstitielle væske vil derefter indikere, når en persons data overføres elektronisk til et fremtidigt datacenter, om kropslige lidelser som kræft, leversygdom eller andre problemer kan være på vej.

Den nye mikronålsekstraktionsprotokol opnåede sine seneste resultater ved at ændre en teknik beskrevet i et teknisk papir fra 1999. Den originale teknik trak væske med en mikronåle fastgjort til et fladt substrat, der trængte ind i huden. I den seneste ændring, en koncentrisk ring fra en vandret skåret insulinpen -injektor, der omgav nålen, blev brugt serendipitøst, og en langt større mængde væske blev tilgængelig.

"Det tidligere papir viste mindre end en mikroliter pr. Indsættelse, og vores nye nåle fik op til 2 mikroliter pr. Nål, så vi antog, at forskellen skulle være monteringen omkring nålen, der modulerede trykket på huden, "sagde Sandia -forskeren Phillip Miller, hovedforfatteren på papiret. "Ved at skabe arrays af nåle, vores ekstraherbare mængde steg fra 2 mikroliter til op til 20 mikroliter hos mennesker. "En mikroliter er cirka 0,000034 væskeunser.

Interstitiel væske, den transparente væske, der omgiver alle menneskelige celler, opleves oftest som væsken, der puster blærer op. Det er så vigtigt for transport af biomolekyler mellem celler og som en mellemmand mellem blod og lymfesystemet, at nogle forskere har henvist til det, som hud, som et andet kropsligt organ.

Interstitiel væskes fordel for patienter er, at den kan sondes med 1,5 millimeter (ca. 0,06 tommer) nåle, der er for korte til at nå nerver, der forårsager smerte. Det har heller ingen røde blodlegemer til at overskye resultaterne af test. Indtil denne seneste forskning, væsken havde kun en vanskelighed:forskernes manglende evne til at indsamle nok af det uspoleret af cellefragmenter til at udføre et tilstrækkeligt antal tests til fuldstændig karakterisering. En mikronåle presset ind i huden ville bare sende den interstitielle væske, den havde fortrængt - en brøkdel af en mikroliter. Alternativt kan indsættelse af en lille væskepumpe frembragte store, men beskadigede mængder væske.

En million dollar forskningsaftale

Arbejde i løbet af det sidste årti har brugt nålene i laboratoriet til at opsamle små mængder-brøkdele af mikroliter-af interstitiel væske til at detektere ændringer i realtid i kropssalte, der indikerer træthed. Forskere forestillede sig en enhed i armbåndsur, der gav øjeblikkelige elektrolytaflæsninger til atleter og deres trænere, militærpersonale i marken eller almindelige borgere føler sig lidt nede.

Denne teknik har vist sig mere end teoretisk interesse:Sandia Labs, med Polsky som hovedforsker, har netop underskrevet en kooperativ forsknings- og udviklingsaftale på 1 million dollar med en virksomhed i Australien, Microfluidics Biomedical Pty. Ltd., at udvikle netop et sådant ur, der registrerer laktat og glukose i realtid. Uret forventes at være markedsklar inden for tre år. Polsky talte om dette koncept i en TEDxABQ -tale i september 2017.

Aftalen er baseret på virksomhedens interesse i at skabe en måleinstrument i realtid til sportsentusiaster, soldater i marken og almindelige mennesker, der er interesseret i at afgøre personlige sundhedsmæssige problemer med det samme. Virksomhedens ekspertise inden for algoritmeudvikling og Sandias ekspertise inden for mikrofabrikation af autonome integrerede sensorer og mikronåls -teknologi vil deltage i produktets udvikling.

Forskellige urdesign vil blive testet for følsomhed og selektivitet, samt til langtidsbrug over relevante koncentrationsområder i en syntetisk interstitiel væske og derefter i levende emner. Microfluidics Biomedical vil designe den trådløse teknologi til overførsel af det signal, der genereres af sensorerne, som kan læses af trænere, militære teamledere eller den person, der ejer uret.

Denne forskningsaftale er vigtig, fordi den er et skridt i at krydse, hvad iværksættere kalder "dødens dal", der ofte adskiller laboratorieinnovation fra realisering som et kommercielt produkt.

Men forskersamfundet, der undersøgte den medicinske brug af mikronål, ønskede at undersøge større vildt, herunder påvisning af frygtede sygdomme mere påtrængende end blot mangel på elektrolytter.

Flere test vil være nødvendige for at indsamle data om de interstitielle væskekomponenter, der spejler in natura, dog ikke i mængde, mange af dem, der er tilgængelige for blod. Når det er opnået, scenen vil blive sat til enklere, billigere, hurtigere, smertefrie tests, der forventes i fremtiden at blive sendt elektronisk fra en deltagers armbåndsur til en central databank, at bestemme eksistensen af ​​et medicinsk problem og dets afhjælpning i realtid på et tidligt tidspunkt.

Det vil tage mange år at lave en komplet database over verdens sygdomme, Sagde Polsky. Så pt. han og hans team starter et nyt projekt for at se på biomarkører i interstitiel væske, der udvikler sig efter influenzavaccinationer. Indsatsen vil bruge frivillige Sandia -medarbejdere. "Influenzavaccinationer er en ideel måde at studere patogenesen af ​​infektionssygdomme på, og denne undersøgelse kan føre til en ny måde at diagnosticere influenza på og karakterisere dens spredning, "sagde Polsky.