I ricercatori del Little Devices Lab del MIT hanno sviluppato una serie di blocchi modulari che possono essere assemblati in modi diversi per produrre dispositivi diagnostici. Questi dispositivi "plug-and-play", che richiedono poca esperienza per essere assemblati, può testare i livelli di glucosio nel sangue nei pazienti diabetici o rilevare l'infezione virale, tra le altre funzioni.

"La nostra motivazione a lungo termine è quella di consentire a piccoli, laboratori con poche risorse per generare le proprie librerie di diagnostica plug-and-play per trattare in modo indipendente le popolazioni di pazienti locali, "dice Anna Giovani, co-direttore del Little Devices Lab del MIT, docente presso l'Istituto per l'ingegneria e la scienza medica, e uno dei principali autori del documento.

Utilizzando questo sistema, chiamati blocchi Ampli, il team del MIT sta lavorando su dispositivi per rilevare il cancro, così come il virus Zika e altre malattie infettive. I blocchi sono economici, costa circa 6 centesimi per quattro blocchi, e non richiedono refrigerazione o manipolazione speciale, rendendoli attraenti per l'uso nel mondo in via di sviluppo.

"Vediamo questi kit di costruzione come un modo per abbassare le barriere alla produzione di tecnologia medica, "dice José Gomez-Marquez, co-direttore del Little Devices Lab e autore senior del documento.

Elizabeth Phillips '13, uno studente laureato alla Purdue University, è anche uno dei principali autori del documento, che appare sul giornale Materiali sanitari avanzati il 16 maggio. Altri autori includono Kimberly Hamad-Schifferli, professore associato di ingegneria presso l'Università del Massachusetts a Boston e visiting scientist presso il Dipartimento di ingegneria meccanica del MIT; Nikolas Albaran, un ingegnere senior nel Little Devices Lab; Giona Butler, un giovane del MIT; e Kaira Lujan, un ex studente in visita al Little Devices Lab.

Diagnostica personalizzata

Nell'ultimo decennio, molti ricercatori hanno lavorato su piccoli, dispositivi diagnostici portatili basati su reazioni chimiche che si verificano su strisce di carta. Molti di questi test utilizzano la tecnologia a flusso laterale, che è lo stesso approccio utilizzato nei test di gravidanza a casa.

Nonostante questi sforzi, tali test non sono stati ampiamente utilizzati. Un ostacolo, dice Gomez-Marquez, è che molti di questi dispositivi non sono progettati pensando alla producibilità su larga scala. Un altro è che le aziende potrebbero non essere interessate a produrre in serie una diagnostica per una malattia che non colpisce un gran numero di persone.

I ricercatori di Little Devices Lab si sono resi conto che avrebbero potuto mettere questa diagnostica nelle mani di molte più persone se avessero creato un kit di componenti modulari che possono essere assemblati per generare esattamente ciò di cui l'utente ha bisogno. A quello scopo, hanno creato circa 40 diversi elementi costitutivi che i lavoratori di laboratorio di tutto il mondo potrebbero facilmente assemblare da soli, proprio come le persone hanno iniziato ad assemblare le proprie radio e altri dispositivi elettronici da "breadboard" elettronici disponibili in commercio negli anni '70.

"Quando è uscita la breadboard elettronica, ciò significava che le persone non dovevano preoccuparsi di costruire i propri resistori o condensatori. Potrebbero preoccuparsi di ciò per cui volevano effettivamente usare l'elettronica, che è quello di fare l'intero circuito, "Dice Gomez-Marquez.

In questo caso, i componenti sono costituiti da un foglio di carta o fibra di vetro interposto tra un blocco di plastica o metallo e una copertura in vetro. I blocchi, che sono circa mezzo pollice su ciascun bordo, possono incastrarsi lungo qualsiasi bordo. Alcuni dei blocchi contengono canali attraverso i quali i campioni possono fluire direttamente, alcuni hanno turni, e alcuni possono ricevere un campione da una pipetta o mescolare più reagenti insieme.

I blocchi possono anche svolgere diverse funzioni biochimiche. Molti contengono anticorpi in grado di rilevare una molecola specifica in un campione di sangue o di urina. Questi anticorpi sono attaccati a nanoparticelle che cambiano colore quando è presente la molecola bersaglio, indicando un risultato positivo.

Questi blocchi possono essere allineati in diversi modi, consentendo all'utente di creare una diagnostica basata su una reazione o su una serie di reazioni. In un esempio, i ricercatori hanno combinato blocchi che rilevano tre diverse molecole per creare un test per l'acido isonicotinico, che può rivelare se i malati di tubercolosi stanno assumendo i loro farmaci.

I blocchi sono codificati a colori in base alla funzione, rendendo più semplice l'assemblaggio di dispositivi predefiniti utilizzando le istruzioni che i ricercatori intendono mettere online. Sperano anche che gli utenti sviluppino e contribuiscano con le proprie specifiche alla guida online.

Prestazioni migliori

I ricercatori hanno anche dimostrato che in qualche modo, questi blocchi possono superare le versioni precedenti dei dispositivi diagnostici cartacei. Per esempio, hanno scoperto che potevano eseguire più volte un campione avanti e indietro su una striscia reattiva, potenziando il segnale. Ciò potrebbe rendere più facile ottenere risultati affidabili da campioni di urina e saliva, che di solito sono più diluiti dei campioni di sangue, ma sono più facili da ottenere dai pazienti.

"Queste sono cose che non si possono fare con i test di flusso laterale standard, perché non sono modulari:puoi eseguirli solo una volta, " dice Hamad-Schifferli.

Il team sta ora lavorando ai test per il virus del papilloma umano, malaria, e la malattia di Lyme, tra gli altri. Stanno anche lavorando su blocchi in grado di sintetizzare composti utili, compresi i farmaci, così come i blocchi che incorporano componenti elettrici come i LED.

L'obiettivo finale è mettere la tecnologia nelle mani di piccoli laboratori sia nei paesi industrializzati che in quelli in via di sviluppo, in modo che possano creare la propria diagnostica. Il team del MIT li ha già inviati a laboratori in Cile e Nicaragua, dove sono stati utilizzati per sviluppare dispositivi per monitorare l'aderenza del paziente al trattamento della tubercolosi e per testare una variante genetica che rende la malaria più difficile da trattare.

Caterina Klapperich, decano associato per la ricerca e professore associato di ingegneria biomedica presso la Boston University, afferma che il lavoro del team del MIT contribuirà a rendere il processo di progettazione diagnostica più inclusivo.

"Riducendo le barriere alla progettazione di nuovi paperfluidics point-of-care, il lavoro invita i non esperti e porterà sicuramente a nuove idee e collaborazioni in ambienti di tutto il mondo, "dice Klapperich, che non è stato coinvolto nella ricerca. "Le dimostrazioni pratiche del sistema qui presentate sono pronte per essere immediatamente utili, mentre le possibilità per gli altri di sfruttare lo strumento sono grandi."

I ricercatori stanno ora studiando tecniche di produzione su larga scala, e sperano di lanciare un'azienda per produrre e distribuire i kit in tutto il mondo.

"Siamo entusiasti di aprire la piattaforma ad altri ricercatori in modo che possano utilizzare i blocchi e generare le proprie reazioni, "Dice il giovane.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.