Mikrofluidik-Gerät hilft bei der diagnose sepsis in Minuten

Ein neuartiger sensor entwickelt, durch die MIT-Forscher, könnte sich dramatisch beschleunigen den Prozess der Diagnose von sepsis-eine führende Todesursache in US-amerikanischen Krankenhäusern, die tötet fast 250.000 Patienten jährlich.

Sepsis tritt auf, wenn der Körper die Immunantwort auf die Infektion löst eine Entzündung Kettenreaktion im ganzen Körper, verursachen hohe Herzfrequenz, hohes Fieber, Atemnot, und andere Fragen. Wenn nicht gegengesteuert wird, kann es zum septischen Schock, wo der Blutdruck sinkt und die Organe heruntergefahren. Zur diagnose sepsis, traditionell ärzte verlassen sich auf verschiedene Diagnose-tools, einschließlich Vitalzeichen, Blut-tests und anderen bildgebenden und Labor-tests.

In den letzten Jahren haben Forscher herausgefunden protein-Biomarker im Blut, die sind früh-Indikatoren der sepsis. Aussichtsreicher Kandidat ist interleukin-6 (IL-6), ein protein, produziert in Reaktion auf Entzündungen. In der sepsis-Patienten, IL-6 levels steigen kann Stunden, bevor die anderen Symptome zu zeigen beginnen. Aber selbst bei diesen erhöhten Ebenen, die Konzentration dieses proteins im Blut zu niedrig ist insgesamt für herkömmliche assay-Geräte erkennen es schnell.

In einem Papier präsentiert in dieser Woche auf der Engineering in Medicine and Biology Conference, MIT-Forscher beschreiben ein Mikrofluidik-basierten system, das automatisch erkennt, klinisch signifikante Mengen von IL-6 für die Diagnose der sepsis in etwa 25 Minuten, weniger als ein finger-prick Blut.

In einem mikrofluidischen Kanal, microbeads versetzt mit Antikörper-mix mit einer Blutprobe zu erfassen, die die IL-6-biomarker. In einem anderen Kanal, nur Perlen mit dem biomarker befestigen einer Elektrode. Läuft die Spannung über die Elektroden erzeugt ein elektrisches signal für jede biomarker-geschnürt Perle, die wird dann umgewandelt in die biomarker-Konzentration.

„Für eine akute Krankheit, wie sepsis, die verläuft sehr schnell und kann lebensbedrohlich sein, ist es hilfreich, ein system zu haben, dass rasch Maßnahmen, die diese nonabundant Biomarker,“ sagt ersten Autor Dan Wu, ein Ph. D.-student in der Abteilung Maschinenbau. „Sie können auch Häufig überwachen die Krankheit, wie Sie fortschreitet.“

Beitritt Wu auf dem Papier ist Joel Voldman, ein professor und stellvertretender Leiter des Department of Electrical Engineering und Computer Science, co-Direktor des Medizinischen Elektronischen Geräts Verwirklichung-Zentrum, und ein principal investigator im Research-Labor der Elektronik und der Mikrosystemtechnik Labors.

Integrierte, automatisierte Gestaltung

Herkömmliche assays zur Erkennung von protein-Biomarker sind sperrig, teuer Maschinen verbannt labs, benötigen etwa ein milliliter Blut und produzieren Ergebnisse in Stunden. In den letzten Jahren, Tragbarer „point-of-care“ – Systeme entwickelt worden, die Verwendung Mikroliter Blut zu ähnlichen Ergebnissen zu kommen, die in etwa 30 Minuten.

Aber point-of-care-Systeme können sehr teuer werden, da meist teuer-optischer Komponenten zu erkennen, die Biomarker. Sie erfassen auch nur eine kleine Anzahl von Proteinen, von denen viele unter den mehr reichlich in Blut. Alle Bemühungen um die Verringerung der Preis, verkleinern Komponenten, oder erhöhen Sie die protein-Bereiche wirkt sich negativ auf Ihre Empfindlichkeit.

In Ihrer Arbeit wollten die Forscher schrumpfen Komponenten des magnetic-bead-basierte Assays, die oft in Labors, auf einem automatisierten Mikrofluidik-Vorrichtung, die etwa von mehreren Quadratzentimetern. Erforderlich, dass die Manipulation Perlen in Mikron-Größe-Kanäle und die Herstellung eines Gerätes in der Mikrosystemtechnik-Labor, das automatisiert die Bewegung von Flüssigkeiten.

Die Perlen sind beschichtet mit einem Antikörper, der zieht IL-6, sowie ein katalysierendes Enzym Meerrettich-peroxidase. Die Perlen und Blutprobe injiziert werden in das Gerät, die Eingabe in ein „Analyt-capture zone“, das ist im Grunde eine Schleife. Entlang der loop ist mit einer peristaltischen Pumpe—Häufig verwendet für die Regelung von Flüssigkeiten—mit Ventile automatisch gesteuert durch eine externe Schaltung. Das öffnen und schließen der Ventile in bestimmten Sequenzen zirkuliert das Blut und den Perlen zu vermischen. Nach etwa 10 Minuten, die IL-6-Proteine gebunden haben, um die Antikörper auf den beads.

Automatisch konfigurieren die Ventile in dieser Zeit zwingt die Mischung in eine kleinere Schleife, die so genannte „detection zone“, wo Sie gefangen bleiben. Ein winziger magnet sammelt die Perlen für eine kurze waschen, bevor Sie Sie freigeben, um den loop. Nach etwa 10 Minuten, viele Perlen stecken auf einer Elektrode beschichtet mit separater Antikörper, der zieht IL-6. Zu dieser Zeit, eine Lösung fließt in der Schleife und wäscht den untethered Perlen, während diejenigen, die mit IL-6 protein verbleibt auf der Elektrode.

Die Lösung trägt eine spezifische Molekül, reagiert mit dem Enzym Meerrettich zum erstellen einer Verbindung, reagiert auf Strom. Wenn eine Spannung angelegt wird, um die Lösung, jede weitere Perle erzeugt einen kleinen Strom. Eine gemeinsame Chemie Technik namens „strommesstechnik“ wandelt, dass Strom in ein lesbares signal. Das Gerät zählt die Signale und berechnet die Konzentration von IL-6.

„An seinem Ende, ärzte laden Sie einfach in einer Blutprobe mit Hilfe einer pipette. Dann, Sie eine Taste drücken, und 25 Minuten später Sie wissen, dass die IL-6 Konzentration,“ Wu sagt.

Das Gerät benötigt etwa 5 Mikroliter Blut, das ist etwa ein Viertel des Volumens von Blut aus einem finger stechen und einen Bruchteil der 100 Mikroliter erforderlich, um zu erkennen, protein-Biomarker, die in Labor-basierte assays. Das Gerät nimmt IL-6-Konzentrationen so niedrig wie 16 picograms pro milliliter, die unterhalb der Konzentrationen, die ein signal sepsis, was bedeutet, das Gerät ist empfindlich genug, um klinisch relevanten Nachweis.

Eine Allgemeine Plattform

Das aktuelle design hat acht separate Mikrofluidik-Kanäle zu Messen, wie viele verschiedene Biomarker oder Blut Proben parallel. Verschiedene Antikörper und Enzyme verwendet werden können, sind in getrennten Kanälen zu erkennen, die verschiedene Biomarker, oder verschiedene Antikörper verwendet werden können, in den gleichen Kanal zu erkennen, mehrere Biomarker gleichzeitig.

Als Nächstes die Forscher planen, erstellen Sie ein panel von wichtigen sepsis-Biomarker für das Gerät zu erfassen, einschließlich interleukin-6, interleukin-8, C-reaktives protein und procalcitonin. Aber es gibt wirklich kein limit, wie viele verschiedene Biomarker kann das Gerät Messen, für jede Krankheit, Wu sagt. Vor allem, mehr als 200 protein-Biomarker für verschiedene Krankheiten und Bedingungen wurden genehmigt durch die US Food and Drug Administration.