摘要
新开发的基于微流体的系统可以在几分钟内自动检测脓毒症。
一项新的研究表明,新开发的基于微流体的系统可以在几分钟内自动检测脓毒症。

麻省理工学院(MIT)研究人员设计的一种新型传感器可以显著加快败血症的诊断过程。败血症是美国医院的主要死因,每年导致近25万名患者死亡。
脓毒症发生时,机体对感染的免疫反应引发了全身的炎症连锁反应,导致心率加快、高烧、呼吸急促等问题。如果不加以控制,它可能导致感染性休克,血压下降,器官关闭。诊断脓毒症,医生传统上依靠各种诊断工具,包括生命体征,血液测试,以及其他影像学和实验室测试。
近年来,研究人员发现血液中的蛋白质生物标志物是败血症的早期指标。一个很有希望的候选者是白细胞介素-6 (IL-6),一种对炎症反应产生的蛋白质。在脓毒症患者中,IL-6水平可以在其他症状出现前数小时上升。但即使在这些升高的水平上,血液中这种蛋白质的浓度总体上也过低,传统的检测设备无法快速检测到它。
本周,麻省理工学院的研究人员在医学和生物学工程会议上发表了一篇论文,描述了一个基于微流体的系统,它可以在大约25分钟的时间内,用不到一根手指戳血,自动检测出临床上诊断败血症所需的显著水平的IL-6。
在一个微流体通道中,添加抗体的微珠与血液样本混合,以捕获IL-6生物标志物。在另一个通道中,只有含有生物标记物的珠子附着在电极上。通过电极的运行电压为每个生物标记物镶丝珠产生电信号,然后将电信号转换为生物标记物浓度水平。
第一作者、机械工程系博士生吴丹(Dan Wu)说:“对于急性疾病,比如脓毒症,病情发展非常迅速,可能危及生命,有一个能够快速测量这些不丰富的生物标志物的系统是有帮助的。”“你还可以经常监测病情的进展。”
本文作者之一Joel Voldman是电子工程与计算机科学系教授兼副系主任,医学电子设备实现中心副主任,电子与微系统技术实验室研究实验室首席研究员。
集成,自动化设计
传统的检测蛋白质生物标记物的方法体积庞大,成本昂贵,只能在实验室里进行,需要大约一毫升的血液,几小时就能得出结果。近年来,便携式“检查点”系统已经开发出来,使用微升的血液在大约30分钟内得到类似的结果。
但是,由于大多数医疗点使用昂贵的光学元件来检测生物标志物,因此医疗点系统可能非常昂贵。它们也只能捕获少量的蛋白质,其中许多蛋白质在血液中含量较高。任何降低价格、缩小成分或增加蛋白质范围的努力都会对它们的敏感性产生负面影响。
在他们的工作中,研究人员想要将这种常用于实验室的基于磁珠的检测方法的组件缩小到一个大约几平方厘米的自动化微流体设备上。这需要在微米大小的通道中操纵珠子,并在微系统技术实验室中制造一种设备来实现流体的自动移动。
这些珠子上涂有一种抗体,可以吸引IL-6,还有一种催化酶,叫做辣根过氧化物酶。珠子和血液样本被注入设备,进入“分析捕捉区”,基本上是一个循环。沿着回路是一个蠕动泵——通常用于控制液体——阀门由外部电路自动控制。按特定顺序打开和关闭阀门,使血液和珠子混合在一起。大约10分钟后,IL-6蛋白与珠子上的抗体结合。
当时自动重新配置阀门会迫使混合物进入一个更小的回路,称为“检测区”,在那里它们会被困住。一个小磁铁将珠子收集起来进行短暂的清洗,然后再将它们释放出来。大约10分钟后,许多珠子粘在一个电极上,电极上涂有一种能吸引IL-6的单独抗体。在那个时候,一种溶液流入循环,清洗掉没有系住的珠子,而含有IL-6蛋白的珠子留在电极上。
这种溶液携带一种特殊的分子,这种分子与辣根酶发生反应,产生一种对电有反应的化合物。当电压作用于溶液时,每一个剩余的珠子都会产生一个小电流。一种叫做“安培计量”的普通化学技术将电流转换成可读的信号。该装置对信号进行计数并计算IL-6的浓度。
“在他们这边,医生只是用移液管输入血液样本。然后,他们按下一个按钮,25分钟后他们就知道了IL-6的浓度。
该设备使用了大约5微升的血液,大约是手指刺破的血液的四分之一,而实验室检测蛋白质生物标志物所需的100微升血液的一小部分。该设备可捕获低至每毫升16皮克的IL-6浓度,低于败血症的信号浓度,这意味着该设备足够敏感,可以提供临床相关检测。
通用平台
目前的设计有八个独立的微流体通道,可以同时测量许多不同的生物标志物或血液样本。不同的抗体和酶可以在不同的通道中检测不同的生物标志物,或者不同的抗体可以在同一通道中同时检测多个生物标志物。
接下来,研究人员计划为该装置建立一个重要的脓毒症生物标记物的面板,包括白细胞介素-6、白细胞介素-8、c反应蛋白和降钙素原。但是对于任何一种疾病,该设备可以测量多少种不同的生物标志物真的没有限制,吴说。值得注意的是,美国食品和药物管理局已经批准了200多种不同疾病和条件的蛋白质生物标志物。
“这是一个非常普遍的平台,”吴说。“如果你想增加设备的物理足迹,你可以扩大规模,设计更多的通道来检测你想检测的生物标志物。”
来源:Medindia
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