Gesundheit

Ingenieure erkennen kann ultra rare Proteine im Blut mit einer Handy-Kamera

Eine der Grenzen der medizinischen Diagnostik ist das Rennen für mehr sensiblen Blut-tests. Die Fähigkeit zu erkennen, extrem seltene Proteine könnte eine lebensrettende Unterschied für viele Bedingungen, wie die Früherkennung bestimmter Krebsarten oder die Diagnose von Schädel-Hirn-Verletzungen, wo die relevanten Biomarker sind nur in verschwindend kleinen Mengen.

Kommerzielle Ansätze, um ultrasensitive protein detection fangen an sich zur Verfügung, aber Sie beruhen auf teuer optics und fluid-Handler, die machen Sie relativ sperrig und teuer und beschränken Ihre Verwendung zu Labor-Einstellungen.

Zu wissen, dass mit dieser Art Diagnose-system als point-of-care-Gerät von entscheidender Bedeutung für viele Bedingungen, vor allem Schädel-Hirn-Verletzungen, Ingenieuren an der Universität von Pennsylvania haben einen test entwickelt, nutzt off-the-shelf-Komponenten und können erkennen, einzelne Proteine mit den Ergebnissen, die in einer Angelegenheit von Minuten, im Vergleich zu den herkömmlichen workflow, die Tage in Anspruch nehmen kann.

Mit einem standard-Handy-Kamera und eine Reihe von Stroboskop-Effekt LED-Leuchten, kombiniert mit Ihrer lab mikrofluidische Tröpfchen-Generatoren, das team hat ein system entwickelt, dass ist tausend mal empfindlicher als die standard-protein-assay, ist handheld, und deutlich weniger teuer als die aktuellen state-of-the-art-single-protein-tests erste auf den Markt kommen.

Die Forscher unter der Leitung von David Issadore, assistant professor in Penn Engineering Department of Bioengineering, und student Venkata R. Yelleswarapu, demonstrierte Ihr system in einer Studie veröffentlicht in den Proceedings of the National Academy of Sciences.

Die standard-protein-detection-assay, ELISA, umfasst das anfügen von Antikörpern gegen die Proteine in Frage, da die Messung, wie viel die Probe für die Farbe ändert sich in Reaktion auf Enzyme linked zu den Antikörpern. Dieser Prozess ist schnell und einfach genug, um aufgenommen werden in point-of-care-Geräte, wie home-HIV-tests, funktioniert aber nur, wenn die Proteine sind in großen Konzentrationen.

Es gibt derzeit nur sehr wenige Biomarker für Schädel-Hirn-Verletzungen, weil nur sehr wenige protein-Marker von diesen Verletzungen machen sich auf den Weg durch die Blut-Hirn-Schranke. Medizinische Forscher haben erst kürzlich bestätigt, dass solche Marker verwendet werden könnte, für einen Bluttest, und Ihren ultra-niedrigen Konzentrationen, die testen, müsste viel empfindlicher als der standard-ELISA-array.

„Tausend mal empfindlicher,'“ Issadore sagt, „wir meinen, dass, wenn wir hatten eine Flasche Blut mit nur ein paar der relevanten Proteine, können wir genau zählen die Proteine, in der Erwägung, dass ein traditioneller test konnte nicht zuverlässig sagen, der Unterschied zwischen, Flasche Blut und mit nichts von dem protein in ihm. Sie halten die Erhöhung der Anzahl der Proteine, die traditionellen Tests schließlich in der Lage sein, um Sie zu erkennen, aber wir können quantifizieren, die Anzahl der Proteine in Konzentrationen, die tausendmal weniger, als Sie können.“

Issadore Ansatz funktioniert durch die Messung ein protein in einer Zeit, die durch zerreißen der Probe in microdroplets, von denen jede enthält entweder ein einzelnes protein oder gar keine. Seinem Labor expertise in Mikrofluidik produziert Mikrochips geätzt mit Hunderten von microdroplet-Generatoren, die alle parallel arbeiten.

„Normalerweise müsste man Messen sehr genau, wie viel eine Probe ändert sich die Farbe oder fluoresziert, aber hier sind wir wenden es in zig Millionen von ja-oder-Nein-Fragen,“ Issadore sagt. „Die Digitalisierung, die Frage bringt die Kosten für die Kamera und das umgebende fluid-handling-equipment, sondern verschiebt das problem in der Verarbeitung der zig Millionen, die diese Fragen in einer Weise, die reproduzierbar, präzise, preiswert und tragbar.“

Während ein off-the-shelf-Kamera erkennen kann, ob ein microdroplet enthält eine fluoreszierende marker-protein gebunden ist oder nicht, das war eine große Herausforderung, den Prozess zu beschleunigen. Vorhandene digitale droplet-Detektoren Linie die Tröpfchen, damit Sie gemessen werden kann, ein zu einer Zeit. Solche Systeme sind genau, aber sperrig und teuer. Sie haben auch begrenzte Durchsatz, weil die Notwendigkeit, zu schauen, Millionen von Tropfen zu einem Zeitpunkt.

„Tausend Tröpfchen eine zweite, die den Durchsatz von herkömmlichen Technologien, ist immer noch ziemlich langsam, wenn Sie Messen müssen, 50 Millionen“, Yelleswarapu sagt.

Anstatt einem einzigen Kanal, der Forscher fließen die Tröpfchen in Hunderte von Kanälen, vorbei an der Kamera zur gleichen Zeit. Der Engpass ist jedoch, wie schnell eine Kamera bei der Erfassung der Daten.

„Konventionell, dass es nicht funktionieren würde, da die Belichtung Zeit, die Sie bekommen würde, von einer normalen Kamera ist so, dass die Signale von zwei Tröpfchen neben einander überlappen würde,“ Yelleswarapu sagt. „Eine Handy-Kamera dauert etwa hundert Bilder pro Sekunde, das ist viel zu langsam, um nützlich zu sein für uns zu lösen diese Tröpfchen. Aber Sie können verwenden, dass die Kamera, wenn die Lichtquelle, die Sie verwenden, um zu beleuchten das droplet Blitze tausend mal schneller als die Bildrate der Kamera.“

Der trick ist, dass macht die Issadore team Ansatz der Arbeit war es, zu Kodieren, das Stroboskop-Licht mit einem signal, das erlauben würde, Sie zu necken abgesehen ein microdroplet von seinen Nachbarn.

„Wir sind mit Stroboskop-Effekten, die das Licht in einem ganz bestimmten Muster, das wiederholt sich nie selbst, das ist eine Technik, die wir ausgeliehen von radar,“ Issadore sagt. „Die Signale gehen über den Bildschirm erhalten Sie bedruckt mit barcode. So, obwohl Sie einander überlappen, können wir sagen, Sie auseinander durch die strobe-Impuls beleuchtet jeder Tropfen.“

Issadore hat die Gruppe bislang veröffentlicht, die auf Schädel-Hirn-Trauma-Marker, und hat ein laufendes Forschungsprojekt, das Presbyterian-Krankenhaus-mit-Hirn-Trauma-Patienten. Sie haben auch eine spin-off-Unternehmen, Chip-Diagnostik, basierend auf der Pennovation Center, die darauf abzielt zu produzieren, test-kits für frühe Krebs-Diagnose und Schädel-Hirn-Verletzungen.