Una delle frontiere della diagnostica medica è la corsa a esami del sangue più sensibili. La capacità di rilevare proteine ​​estremamente rare potrebbe fare la differenza salvavita per molte condizioni, come la diagnosi precoce di alcuni tipi di cancro o la diagnosi di lesioni cerebrali traumatiche, dove i biomarcatori rilevanti compaiono solo in quantità evanescenti.

Stanno iniziando a diventare disponibili approcci commerciali al rilevamento ultrasensibile delle proteine, ma si basano su ottiche costose e gestori di fluidi, che li rendono relativamente ingombranti e costosi e ne vincolano l'uso alle impostazioni di laboratorio.

Sapendo che avere questo tipo di sistema diagnostico disponibile come dispositivo point-of-care sarebbe fondamentale per molte condizioni, soprattutto trauma cranico, gli ingegneri dell'Università della Pennsylvania hanno sviluppato un test che utilizza componenti standard e può rilevare singole proteine ​​con risultati in pochi minuti, rispetto al flusso di lavoro tradizionale, che può richiedere giorni.

Utilizzando una fotocamera per cellulare standard e un set di luci a LED stroboscopiche, combinato con i generatori di goccioline microfluidici del loro laboratorio, il team ha sviluppato un sistema mille volte più sensibile del test proteico standard, è tenuto in mano, e notevolmente meno costoso degli attuali test a singola proteina all'avanguardia che arrivano per la prima volta sul mercato.

I ricercatori, guidato da David Issadore, professore assistente presso il Dipartimento di Bioingegneria della Penn Engineering, e studente laureato Venkata R. Yelleswarapu, dimostrato il loro sistema in uno studio pubblicato nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

Il test standard di rilevamento delle proteine, ELISA, comporta l'attaccamento di anticorpi alle proteine ​​in questione, quindi misurare quanto cambia il colore del campione in risposta agli enzimi legati agli anticorpi. Questo processo è abbastanza veloce e semplice da essere incorporato nei dispositivi point-of-care, come il test HIV a casa, ma funziona solo quando le proteine ​​sono in grandi concentrazioni.

Attualmente ci sono pochissimi biomarcatori per le lesioni cerebrali traumatiche perché pochissimi dei marcatori proteici di tali lesioni si fanno strada attraverso la barriera emato-encefalica. I ricercatori medici hanno solo recentemente confermato che tali marcatori potrebbero essere utilizzati per un esame del sangue, e date le loro bassissime concentrazioni, quel test dovrebbe essere molto più sensibile dell'array ELISA standard.

"Da mille volte più sensibile, '" dice Issadore, "intendiamo dire che se avessimo una fiala di sangue con solo poche delle proteine ​​rilevanti, possiamo contare con precisione quelle proteine, mentre un test tradizionale non potrebbe dire in modo affidabile la differenza tra quella fiala di sangue e una senza proteine. Man mano che si aumenta il numero di proteine, il test tradizionale potrà eventualmente rilevarli, ma possiamo quantificare il numero di proteine ​​a concentrazioni mille volte inferiori a loro".

L'approccio di Issadore funziona misurando una proteina alla volta, rompendo il campione in microgoccioline, ognuna delle quali contiene una singola proteina o nessuna. L'esperienza del suo laboratorio in microfluidica ha prodotto microchip incisi con centinaia di generatori di microgoccioline, tutto funziona in parallelo.

"Normalmente, dovresti misurare in modo molto preciso quanto un campione cambia colore o diventa fluorescente, ma qui lo trasformiamo in decine di milioni di domande si o no, " Dice Issadore. " La digitalizzazione di quella domanda riduce il costo della telecamera e delle attrezzature per la gestione dei fluidi circostanti, ma sposta il problema su come elaborare decine di milioni di quelle domande, in modo riproducibile, accurato, economico e portatile."

Mentre una fotocamera standard può rilevare se una microgoccia contiene o meno una proteina legata a un marcatore fluorescente, la grande sfida era accelerare il processo. I rilevatori di gocce digitali esistenti allineano le gocce in modo che possano essere misurate una alla volta. Tali sistemi sono accurati, ma ingombrante e costoso. Hanno anche un throughput limitato, a causa della necessità di guardare milioni di goccioline una alla volta.

"Mille gocce al secondo, il rendimento delle tecnologie convenzionali, è ancora piuttosto lento se devi misurare 50 milioni, " dice Yelleswarapu.

Invece di avere un unico canale, i ricercatori fanno fluire le goccioline in centinaia di canali che passano contemporaneamente vicino alla telecamera. Il collo di bottiglia, però, è la velocità con cui una fotocamera può acquisire i dati.

"Convenzionalmente, non funzionerebbe poiché il tempo di esposizione che otterresti da una normale fotocamera è tale che i segnali di due goccioline una accanto all'altra si sovrappongono, " dice Yelleswarapu. "La fotocamera di un cellulare scatta un centinaio di immagini al secondo, e questo è troppo lento per essere utile per risolvere queste goccioline. Ma puoi usare quella fotocamera se la fonte di luce che stai usando per illuminare le gocce lampeggia mille volte più velocemente del framerate della fotocamera".

Il trucco che ha fatto funzionare l'approccio del team di Issadore è stato quello di codificare questa luce stroboscopica con un segnale che avrebbe permesso loro di separare una microgoccia dai suoi vicini.

"Stiamo proiettando la luce in uno schema molto specifico che non si ripete mai, che è una tecnica che abbiamo preso in prestito dal radar, "Dice Issadore. "Mentre i segnali attraversano lo schermo vengono impressi con questo codice a barre. Quindi, anche se si sovrappongono tra loro, possiamo distinguerli da quale impulso stroboscopico ha illuminato ogni goccia."

Il gruppo di Issadore ha precedentemente pubblicato sui marcatori di lesioni cerebrali traumatiche, e ha un progetto di ricerca in corso con il Presbyterian Hospital con pazienti con lesioni cerebrali. Hanno anche una società spin-off, Diagnostica chip, con sede presso il Pennovation Center, che mira a produrre kit di test per la diagnosi precoce del cancro e lesioni cerebrali traumatiche.