Forskere opfinder en enhed i møntstørrelse til hurtigt at isolere blodplasma til diagnostik og præcisionsmedicin

Forskere ved Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore), har udviklet en chip på størrelse med en mønt, der direkte kan isolere blodplasma fra et rør med blod på kun 30 minutter, hvilket er mere bekvemt og brugervenligt sammenlignet med den nuværende guldstandard , flertrins centrifugeringsproces.

Med navnet ExoArc kan enheden opnå høj blodplasma-renhed ved at fjerne mere end 99,9 % af blodceller og blodplader præcist og skånsomt i blot ét trin.

Dette vil i høj grad fremskynde den kliniske analyse af de cellefrie DNA- og RNA-molekyler samt nanopartikler almindeligvis kendt som ekstracellulære vesikler. Disse partikler bruges ofte til at screene for biomarkører, der er afslørende tegn, der er specifikke for visse kræftformer og sygdomme.

I øjeblikket er den eneste måde at isolere blodplasma på ved at bruge en centrifuge, som roterer blodprøver ved høje hastigheder for at adskille blodceller fra plasma.

Men selv efter to runder med centrifugering i centrifugen vil der stadig være nogle celler og blodplader til stede i blodplasmaet, som kan nedbrydes eller nedbrydes, hvilket frigiver yderligere bioindhold, hvilket fører til uønskede materialer, der påvirker nøjagtigheden af ​​diagnostiske tests. .

Som et bevis på konceptet byggede holdet en bærbar prototypeenhed (måler 30 cm x 20 cm x 30 cm) til at rumme ExoArc-chippen (3,5 cm x 2,5 cm x 0,3 cm), som har en stor touchscreen-grænseflade til at justere indstillinger, samt interne pumper og rør til behandling af blodprøver og opsamling af det isolerede blodplasma.

Sammen med kliniker-videnskabsmænd fra National Cancer Center Singapore (NCCS), Tan Tock Seng Hospital (TTSH) og Agenturet for Videnskab, Teknologi og Forskning (A*STAR) validerede holdet ExoArc klinisk ved at analysere mikroRNA-profilen af ​​blodplasma hos raske mennesker og kræftpatienter ved hjælp af et biomarkørpanel og fandt ud af, at det var i stand til at diagnosticere ikke-småcellet lungekræft med en følsomhed på 90 %.

Som en innovation har ExoArc i øjeblikket to patentansøgninger indgivet gennem NTUitive, NTU's innovations- og virksomhedsvirksomhed, og dets undersøgelsesresultater er for nylig blevet offentliggjort i ACS Nano .

Ledende videnskabsmand i undersøgelsen, NTU-lektor Hou Han Wei, sagde, at holdet havde til formål at finde en hurtigere løsning, der kunne erstatte centrifugen, mens den stadig giver højkvalitetsplasma til sygdomsscreening og forskning.

"Det er næsten 160 år siden opfindelsen af ​​den første centrifuge og omkring 50 år siden moderne højhastighedscentrifuger blev et standardværktøj i laboratorier til fremstilling af blodprøver. På trods af disse fremskridt, adskillelse af komplekse væsker som blod, der omfatter forskellige celletyper og en bred vifte af biologiske materialer er fortsat en udfordring," forklarede Assoc Prof Hou, en biomedicinsk ingeniør fra School of Mechanical and Aerospace Engineering og Lee Kong Chian School of Medicine (LKCMedicine).

"Ved at udnytte unikke flow-fænomener i bittesmå kanaler i en chip, der er omtrent på størrelse med en dollarmønt, kan vi nu effektivt adskille små biologiske materialer baseret på deres størrelse uden at bruge nogen fysisk membran eller filtre. Vi har transformeret denne banebrydende teknologi til en enhed på størrelse med en lille stationær printer, med engangsplastikchips for at forhindre krydskontaminering i kliniske tests."

Medforfatter til papiret, professor Darren Lim, seniorkonsulent i afdelingen for medicinsk onkologi ved NCCS og forskningsdirektør ved SingHealth Duke-NUS Lung Center, forklarede vigtigheden af ​​blodplasma af høj kvalitet.

"Reduktion af kontaminering fra nedbrudte blodceller er afgørende for nøjagtigheden af ​​diagnostiske tests. Vores undersøgelse viser, at denne enhed tillader hurtigere og mere præcise kliniske diagnoser, hvilket reducerer ventetiden på testresultater betydeligt, reducerer patienternes angst og i sidste ende forbedrer deres generelle pleje. Dette er særligt vigtigt for kræftbehandling," sagde Prof Lim.

I en anden demonstration af sin brede anvendelse brugte holdet ExoArc til at studere mikroRNA-molekyler fra blodplasmaprøver fra raske individer og dem med type 2-diabetes mellitus ved hjælp af kvantitativ polymerasekædereaktion (PCR).

Fra blot ét rør med blod identificerede de 293 forskellige mikroRNA-molekyler. Forskerholdet fandt også, at mikroRNA-profilen fra plasmaer og ekstracellulære vesikler fra personer med type 2-diabetes havde en anden sammensætning sammenlignet med raske deltagere. Dette antyder potentialet af ExoArc i at hjælpe med at isolere og identificere sygdomsrelaterede biomarkører.

Lektor Rinkoo Dalan, seniorkonsulent med speciale i diabetes og endokrinologi på Tan Tock Seng Hospital, sagde, at de første resultater er lovende og viser potentialet i, at ExoArc kan hjælpe med at drive præcisionsmedicin.

"Denne teknologi kan hjælpe klinikere med bedre at forudsige og håndtere komplikationer af kroniske metaboliske tilstande som diabetes, ved at give mere præcis, rettidig og individualiseret information. Ved at detektere specifikke biomarkører nøjagtigt kan vi skræddersy behandlinger til hver enkelt patients unikke behov, hvilket potentielt kan forbedre resultaterne. og at forbedre kvaliteten af ​​plejen," sagde professor Dalan, som også er undervisende fakultet ved LKCmedicine.

ExoArc vs. konventionel centrifuge

Den nuværende guldstandardmetode til isolering af blodplasma er afhængig af centrifuger, som ikke er idiotsikker og i høj grad afhængig af dygtigheden hos de teknikere, som manuelt udvinder plasmaet efter hvert spin.

Selv efter to centrifugeringsrunder, som kan tage op til en time, kan resterende biologiske celler forblive i plasmaet, hvilket potentielt kontaminerer RNA-tests og fører til unøjagtige resultater.

En af hovedårsagerne er, at blodprøver er tidsfølsomme og kræver behandling inden for en dag eller endda et par timer for at forhindre hurtig nedbrydning af biologisk materiale fra celler. Denne nedbrydning introducerer yderligere DNA, RNA eller vesikler i plasmaet, hvilket kan forvrænge testresultater.

Laboratorier venter typisk med at akkumulere flere blodprøver, før de bruger centrifugen, hvilket forlænger isolationsprocessen med flere timer. Denne forsinkelse kombineret med den forlængede varighed af centrifugering og operatørvariabilitet gør det nogle gange udfordrende at sammenligne videnskabelige resultater mellem forskellige forskningslaboratorier.

I modsætning til centrifugemaskinen, der normalt behandler flere rør med blodprøver, kan ExoArc-teknologien skaleres op ved at designe flere kanaler til samtidig at isolere blodplasma, når og når blodprøver modtages på klinikker eller hospitaler på en hurtigere og mere konsekvent måde.

I fremtiden kan denne proces automatiseres til en et-trins-proces, hvilket vil reducere den tid, der kræves til at forberede prøver til test, og vil strømline den diagnostiske proces, hvilket potentielt kan bidrage til at reducere de samlede omkostninger. Ved at justere størrelsesgrænsen kan denne platformsteknologi også bruges til at isolere bakterier eller vira fra blod eller andre biovæsker.

Udviklingen af ​​ExoArc er bakket op af en Proof-of-Concept og Proof-of-Value-bevilling fra NTUitive Gap Fund, under NTU Innovation and Entrepreneurship-initiativet. Dette initiativ søger at omdanne forskning til praktiske innovationer, der adresserer samfundsmæssige udfordringer, såsom en aldrende befolkning, og genererer betydelige økonomiske fordele for Singapore.

Flere oplysninger: Sheng Yuan Leong et al., High-Throughput mikrofluidisk ekstraktion af blodpladefrit plasma til mikroRNA og ekstracellulær vesikelanalyse, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c12862

Journaloplysninger: ACS Nano

Leveret af Nanyang Technological University