Forskere opdager små sygdomsniveauer med en biochip, der er forbedret med nanoteknologi

Vanskeligheden ved at få øje på små mængder af sygdom, der cirkulerer i blodbanen, har vist sig at være en anstødssten i påvisning og behandling af kræftformer, der skrider frem med få symptomer. Med en ny elektrokemisk biosensing-enhed, der identificerer de mindste signaler, som disse biomarkører udsender, et par NJIT-opfindere håber på at bygge bro over dette hul.

Deres arbejde med sygdomsdetektion er en illustration af styrken af ​​elektrisk sansning - og ingeniørernes voksende rolle - i medicinsk forskning.

"Ideelt set der ville være en simpel, billig test – udført ved et regelmæssigt patientbesøg i fravær af specifikke symptomer – for at screene for nogle af de mere tavse, dødelige kræftformer, " siger Bharath Babu Nunna, en nylig ph.d. kandidat, der arbejdede med Eon Soo Lee, en adjunkt i maskinteknik, at udvikle en nanoteknologi-forbedret biochip til at opdage kræftformer, malaria og virussygdomme som lungebetændelse tidligt i deres progression med en blodprøve med nålestik.

Deres enhed inkluderer en mikrofluidisk kanal, hvorigennem en lille mængde udtaget blod flyder forbi en sensorplatform belagt med biologiske midler, der binder sig til målrettede biomarkører for sygdom i kropsvæsker som blod, tårer og urin - og derved udløse et elektrisk nanokredsløb, der signalerer deres tilstedeværelse.

I forskning for nylig offentliggjort i Nano dækning , Nunna og hans medforfattere demonstrerede brugen af ​​guld nanopartikler til at forbedre sensorsignalresponsen fra deres enhed til kræftdetektion, blandt andre fund.

En af enhedens kerneinnovationer er evnen til at adskille blodplasma fra fuldblod i dets mikrofluidiske kanaler. Blodplasma bærer sygdomsbiomarkørerne, og det er derfor nødvendigt at adskille det for at forbedre "signal til støj-forholdet" for at opnå en meget nøjagtig test. Den selvstændige enhed analyserer en blodprøve inden for to minutter uden behov for eksternt udstyr.

"Vores tilgang detekterer målrettede sygdomsbiomolekyler i femto-skalakoncentrationen, som er mindre end nano og endda pico skala, og er beslægtet med at søge efter en planet i en galaksehob. Den nuværende sensorteknologi er begrænset til koncentrationer, der er tusind gange større. Ved at bruge en platform i nanoskala kan vi identificere disse lavere niveauer af sygdom, " Nunna siger, tilføjer, "Og ved at adskille plasmaet fra blodet, vi er i stand til at koncentrere sygdomsbiomarkørerne."

I et andet nyligt blad i BioNanoScience , Nunna, Lee og deres medforfattere detaljerede deres resultater om variationer i følsomhed baseret på mikrofluidisk flow.

Nunna er nu postdoktor ved Harvard Medical School, hvor han udvider sin ekspertise inden for mikrofluidiske platforme, ved at bruge dem i organ-på-chip-forskning udført med Su Ryon Shin, en hovedefterforsker og instruktør i medicinstudiets afdeling for medicin, der udvikler 3-D-bioprintede organoider - kunstige organer sammensat af dyrkede celler i strukturerede hydrogeler - til medicinske eksperimenter.

"Jeg er primært ansvarlig for at udvikle de mikrofluidiske enheder, der vil automatisere processen med at bioprinte 3D-organer, der vil blive inkorporeret på en chip til en række formål. Jeg har til opgave, for eksempel, med udvikling af en automatiseret platform til langsigtet lægemiddeleffektivitet og toksicitetsanalyse for at spore leverkræft og hjertebiomarkører. Jeg vil integrere den mikrofluidiske biosensor med leverkræft- og hjerte-på-en-chip-modellen til kontinuerlig overvågning, " han siger.

Ved at måle biomarkørkoncentrationerne udskilt fra lægemiddelinjicerede 3-D-bioprintede organer, vi kan studere lægemiddeleffekter på flere organer uden at skade en levende patient. At skabe kunstige organer giver os mulighed for at eksperimentere frit."

Ned ad vejen, tilføjer han, arbejdet på Harvard kunne potentielt anvendes i regenerativ medicin. "Målet er at udvikle fuldt funktionelle 3-D-bioprintede organoider og klinisk relevante 3-D væv for at løse problemet med donormangel ved transplantation."

Nunna siger, at hans forskning ved Harvard Medical School vil udvide hans viden om programmerbar mikrofluidik og præcise elektrokemiske sensingsteknikker, hvilket igen vil hjælpe ham med at fremme sin biochip-teknologi. Målet er en enkel, standardanalyse til kræftdiagnose, der undgår konventionel, komplekse diagnostiske trin.

Lee og Nunna har arbejdet sammen med onkologer på Weill Cornell Medicine og Hackensack Medical Center for at identificere kliniske anvendelser. Som i øjeblikket designet, enheden ville give både kvalitative og kvantitative resultater af cancerantigener i blodprøver, give oplysninger om tilstedeværelsen og sværhedsgraden af ​​kræften. Deres næste skridt, han siger, vil være at udvide platformen til at opdage flere sygdomme ved hjælp af en enkelt blodprøve opnået med et nålestik.

"Selvom sundhedsteknologi anses for at være en teknologi i hurtig udvikling, der er stadig mange udækkede behov, der skal løses. Diagnosticering af potentielt dødelige sygdomme på de tidlige stadier er nøglen til at redde liv og forbedre patienters behandlingsresultater, " han siger, tilføjer, "Der er et stort behov for sundhedsteknologi, inklusive en universel diagnostisk platform, der kan give øjeblikkelige resultater på lægens kontor og andre behandlingssteder."

Nunna er medstifter og chefforsker for Abonics, Inc., en startup dannet af Lee for at kommercialisere deres enhed. Han er navngivet som medopfinder sammen med Lee på tre offentliggjorte biochip-patenter og seks yderligere patenter, som nu er under revision af U.S. Patent and Trademark Office. Deres teknologi har vundet økonomisk støtte fra National Science Foundation I-Corps-programmet og New Jersey Health Foundation (NJHF), en ikke-for-profit virksomhed, der støtter top biomedicinsk forskning og sundhedsrelaterede uddannelsesprogrammer i New Jersey.

"Som vi ved, tidlig påvisning kan forbedre behandlingsresultater for patienter betydeligt, " forklarede George F. Heinrich, M.D., næstformand og administrerende direktør i NJHF, ved offentliggørelsen af ​​prisen. "I øjeblikket, læger er afhængige af diagnostiske apparater, der kræver minimum fire timers prøveforberedelse gennem centraliserede diagnostiske centre i stedet for deres lokale kontorer."

I 2017 Nunna modtog prisen "Best Design in Healthcare Innovations and Point-of-Care Innovations Award" på Healthcare Innovation and Point-of-Care Technologies-konferencen fra Engineering in Medicine and Biology Society, afholdt i National Institute of Healths hovedkvarter i Bethesda, MD. Samme år, teknologien modtog den nationale innovationspris på TechConnect World Innovation Conference and Expo, en årlig samling af teknologioverførselskontorer, virksomheder, og investeringsselskaber, der mødes for at identificere lovende teknologier fra hele kloden.