(PhysOrg.com) -- Le microspugne derivate dalle alghe possono aiutare a diagnosticare malattie cardiache, tumori, HIV e altre malattie in modo rapido ea costi molto inferiori rispetto ai metodi clinici attuali. Le microspugne sono una componente essenziale del Programmable Bio-Nano-Chip (PBNC) della Rice University e al centro di un nuovo articolo sulla rivista Piccolo .

Il documento di John McDevitt, il Professore Brown-Wiess in Bioingegneria e Chimica, e i suoi colleghi della BioScience Research Collaborative di Rice vedono il funzionamento interno dei PBNC, che McDevitt immagina come uno strumento diagnostico medico tradizionale.

Le PBNC per diagnosticare una varietà di malattie sono attualmente al centro di sei studi clinici sull'uomo. McDevitt discuterà il loro sviluppo alla riunione annuale dell'Associazione americana per l'avanzamento della scienza (AAAS) a Washington, DC, 17-21 febbraio.

I PBNC catturano i biomarcatori - molecole che offrono informazioni sulla salute di una persona - che si trovano nel sangue, saliva e altri fluidi corporei. I biomarcatori sono sequestrati in minuscole spugne incastonate in una serie di imbuti a forma di piramide rovesciata nel cuore del microprocessore del PBNC delle dimensioni di una carta di credito.

Quando un campione di fluido viene inserito nel dispositivo monouso, canali microfluidici lo dirigono verso le spugne, che sono infusi con anticorpi che rilevano e catturano specifici biomarcatori. Una volta catturato, possono essere analizzati in pochi minuti con un sofisticato microscopio e computer integrati in un portatile, lettore delle dimensioni di un tostapane.

Il processo di cattura dei biomarcatori è oggetto del Piccolo carta. Le microspugne sono perline di agarosio di 280 micrometri, un economico, Comune, materiale adatto al laboratorio derivato da alghe e spesso usato come matrice per far crescere cellule vive o catturare proteine.

La bellezza dell'agarosio è la sua capacità di catturare un'ampia gamma di bersagli, da biomarcatori proteici relativamente grandi a piccoli metaboliti di farmaci. Nel laboratorio, l'agarosio nasce come polvere, come Jell-O. Quando mescolato con acqua calda, può essere formato in gel o solidi di qualsiasi dimensione. La dimensione dei pori e dei canali nell'agarosio può essere ridotta su scala nanometrica.

La sfida, McDevit ha detto, stava definendo un nuovo concetto per catturare e rilevare in modo rapido ed efficiente i biomarcatori all'interno di un circuito microfluidico. La soluzione sviluppata alla Rice è una rete di microspugne con dimensioni dei pori su misura e nano-reti di fibre di agarosio. La qualità spugnosa consente di lavorare rapidamente molto fluido, mentre la nano-rete fornisce un'enorme superficie che può essere utilizzata per generare segnali ottici 1, 000 volte più grande dei tradizionali dispositivi da frigorifero. I mini-insiemi di sensori, Egli ha detto, pacchetto massimo pugno.

Il team ha scoperto che le perle di agarosio con un diametro di circa 280 micrometri sono ideali per applicazioni reali e possono essere prodotte in serie in modo economico. Queste perle di agarosio mantengono la loro efficienza nel catturare biomarcatori, sono facili da maneggiare e non richiedono ottiche specializzate per vedere.

McDevitt e i suoi colleghi hanno testato perline con pori fino a 620 nanometri e larghi fino a 45 nanometri. (Un foglio di carta è di circa 100, 000 nanometri di spessore.) I pori vicini a 140 nanometri si sono dimostrati i migliori nel consentire alle proteine ​​di infondere rapidamente le nano-reti interne delle perline, una caratteristica che consente alle PBNC di testare la malattia in meno di 15 minuti.

Il team ha riferito di esperimenti utilizzando due biomarcatori, antigeni carcinoembrionali e proteine ​​interleuchina-1 beta (e anticorpi corrispondenti per entrambi), acquistato dal laboratorio. Dopo aver immerso le sfere nelle soluzioni anticorpali, i ricercatori hanno testato la loro capacità di riconoscere e catturare i loro biomarcatori corrispondenti. Nei casi migliori, hanno mostrato un'efficienza quasi totale (99,5%) nel rilevamento di biomarcatori legati alle perline.

McDevitt si aspettava da tempo che una perlina tridimensionale avesse un potenziale maggiore per catturare e trattenere biomarcatori rispetto allo standard per tali test, la tecnica del saggio di immunoassorbimento enzimatico (ELISA). ELISA analizza i fluidi collocati in una serie di pozzi da 6,5 ​​millimetri che hanno uno strato di materiale di cattura dei biomarcatori sparso sul fondo. Ottenere risultati tramite ELISA richiede un laboratorio pieno di attrezzature, Egli ha detto.

"La quantità di segnale ottico che si ottiene di solito dipende dallo spessore di un campione, " disse McDevitt. "Acqua, Per esempio, sembra chiaro in un piccolo bicchiere, ma è blu in un oceano o in un lago. La maggior parte dei dispositivi clinici moderni legge segnali da campioni su superfici piane o curve, che è come cercare di vedere il colore blu dell'acqua in un bicchiere. È molto difficile."

A confronto, I PBNC forniscono ai ricercatori un oceano di informazioni. "Creiamo una microspugna ad altissima superficie che raccoglie una grande quantità di materiale, " ha detto. "La spugna è come una medusa con tentacoli che catturano i biomarcatori".

La perla di agarosio è progettata per diventare invisibile nell'acqua. "Questo lo rende un ambiente ideale per catturare biomarcatori, perché la matrice non ostacola la visualizzazione dei contenuti. Questo è un buon uso di nuovi biomateriali che sono economici come lo sporco, ma offrono prestazioni potenti, "Ha detto McDevit.

Secondo studi precedenti, solo una frazione - meno del 10 percento - degli anticorpi di cattura negli array ELISA "standard di riferimento" è ancora attiva quando inizia un test. A confronto, quasi tutti gli anticorpi nelle sfere di agarosio mantengono la loro capacità di rilevare e catturare biomarcatori, ha detto McDevit.

In definitiva, Egli ha detto, I PBNC consentiranno una rapida, test diagnostici economici per i pazienti malati, se sono in un pronto soccorso, in ambulanza o anche mentre vengono curati a casa propria. Anche meglio, i chip potrebbero un giorno consentire un test rapido e facile del sano per cercare i primi segni premonitori di malattia.