La difficoltà nell'individuare piccole quantità di malattie che circolano nel flusso sanguigno si è rivelata un ostacolo nell'individuazione e nel trattamento dei tumori che avanzano furtivamente con pochi sintomi. Con un nuovo dispositivo di biorilevamento elettrochimico che identifica i segnali più piccoli emessi da questi biomarcatori, una coppia di inventori del NJIT spera di colmare questo divario.

Il loro lavoro nel rilevamento delle malattie è un'illustrazione della potenza del rilevamento elettrico e del ruolo crescente degli ingegneri nella ricerca medica.

"Idealmente, ci sarebbe un semplice, test poco costoso, eseguito durante una visita regolare del paziente in assenza di sintomi specifici, per lo screening di alcuni dei più silenziosi, tumori mortali, "dice Bharath Babu Nunna, un recente dottorato di ricerca laureato che ha lavorato con Eon Soo Lee, un assistente professore di ingegneria meccanica, sviluppare un biochip potenziato dalle nanotecnologie per rilevare i tumori, malaria e malattie virali come la polmonite all'inizio della loro progressione con un esame del sangue con puntura di spillo.

Il loro dispositivo include un canale microfluidico attraverso il quale una piccola quantità di sangue prelevato scorre oltre una piattaforma di rilevamento ricoperta di agenti biologici che si legano a biomarcatori mirati di malattia nei fluidi corporei come il sangue, lacrime e urina, innescando così un nanocircuito elettrico che segnala la loro presenza.

In una ricerca recentemente pubblicata in Nano copertura , Nunna e i suoi coautori hanno dimostrato l'uso di nanoparticelle d'oro per migliorare la risposta del segnale del sensore del loro dispositivo nel rilevamento del cancro, tra gli altri ritrovamenti.

Una delle innovazioni principali del dispositivo è la capacità di separare il plasma sanguigno dal sangue intero nei suoi canali microfluidici. Il plasma sanguigno trasporta i biomarcatori della malattia ed è quindi necessario separarlo per migliorare il "rapporto segnale/rumore" al fine di ottenere un test altamente accurato. Il dispositivo autonomo analizza un campione di sangue entro due minuti senza bisogno di apparecchiature esterne.

"Il nostro approccio rileva le biomolecole della malattia mirate alla concentrazione su scala femto, che è più piccolo della scala nano e persino pico, ed è simile alla ricerca di un pianeta in un ammasso di galassie. La tecnologia di rilevamento attuale è limitata a concentrazioni mille volte maggiori. L'utilizzo di una piattaforma su scala nanometrica ci consente di identificare questi livelli inferiori di malattia, "Nanna dice, aggiungendo, "E separando il plasma dal sangue, siamo in grado di concentrare i biomarcatori della malattia".

In un altro recente articolo in BioNanoScienza , Nuna, Lee e i loro coautori hanno dettagliato le loro scoperte sulle variazioni di sensibilità basate sul flusso microfluidico.

Nunna è ora ricercatrice post-dottorato presso la Harvard Medical School, dove sta ampliando la sua esperienza nelle piattaforme microfluidiche, utilizzandoli nella ricerca organ-on-the-chip condotta con Su Ryon Shin, un investigatore principale e istruttore nel Dipartimento di Medicina della facoltà di medicina che sviluppa organoidi biostampati in 3D, organi artificiali composti da cellule coltivate all'interno di idrogel strutturati, per la sperimentazione medica.

"Sono principalmente responsabile dello sviluppo dei dispositivi microfluidici che automatizzeranno il processo di bioprinting degli organi 3-D che saranno incorporati in un chip per una serie di scopi. Ho il compito, Per esempio, con lo sviluppo di una piattaforma automatizzata per l'analisi dell'efficacia e della tossicità dei farmaci a lungo termine per monitorare il cancro del fegato e i biomarcatori cardiaci. Integrerò il biosensore microfluidico con il modello di cancro al fegato e cuore su chip per il monitoraggio continuo, " lui dice.

Misurando le concentrazioni di biomarcatori secreti da organi biostampati in 3D iniettati dal farmaco, possiamo studiare gli effetti dei farmaci su diversi organi senza danneggiare un paziente vivo. La creazione di organi artificiali ci permette di sperimentare liberamente".

Lungo la strada, Aggiunge, il lavoro ad Harvard potrebbe essere potenzialmente applicato alla medicina rigenerativa. "L'obiettivo è sviluppare organoidi biostampati in 3-D completamente funzionali e tessuti 3-D clinicamente rilevanti per affrontare il problema della carenza di donatori nel trapianto".

Nunna afferma che la sua ricerca presso la Harvard Medical School amplierà la sua conoscenza della microfluidica programmabile e delle precise tecniche di rilevamento elettrochimico, che a sua volta lo aiuterà a far progredire la sua tecnologia di biochip. L'obiettivo è un semplice, test standard per la diagnosi del cancro che evita i metodi convenzionali, complesse fasi diagnostiche.

Lee e Nunna hanno lavorato con gli oncologi del Weill Cornell Medicine e dell'Hackensack Medical Center per identificare le applicazioni cliniche. Come attualmente progettato, il dispositivo fornirebbe risultati sia qualitativi che quantitativi degli antigeni del cancro nei campioni di sangue, fornire informazioni sulla presenza e sulla gravità del cancro. Il loro prossimo passo, lui dice, sarà quello di espandere la piattaforma per rilevare più malattie utilizzando un singolo campione di sangue ottenuto con una puntura di spillo.

"Sebbene la tecnologia sanitaria sia considerata una tecnologia in rapida evoluzione, ci sono ancora molti bisogni insoddisfatti che devono essere affrontati. La diagnosi di malattie potenzialmente mortali nelle fasi iniziali è la chiave per salvare vite umane e migliorare i risultati del trattamento dei pazienti, " lui dice, aggiungendo, "C'è un enorme bisogno di tecnologia sanitaria, inclusa una piattaforma diagnostica universale in grado di fornire risultati immediati presso l'ambulatorio del medico e in altri ambienti point-of-care."

Nunna è la co-fondatrice e ricercatrice capo di Abonics, Inc., una startup formata da Lee per commercializzare il proprio dispositivo. È nominato co-inventore con Lee su tre brevetti di biochip pubblicati e sei brevetti aggiuntivi che sono ora in fase di revisione da parte dell'Ufficio brevetti e marchi degli Stati Uniti. La loro tecnologia ha ottenuto il sostegno finanziario del programma I-Corps della National Science Foundation e della New Jersey Health Foundation (NJHF), una società senza scopo di lucro che supporta i migliori programmi di ricerca biomedica e di educazione sanitaria nel New Jersey.

"Come sappiamo, la diagnosi precoce può migliorare significativamente i risultati del trattamento per i pazienti, " ha spiegato George F. Heinrich, M.D., vicepresidente e CEO di NJHF, nell'annunciare il premio. "Attualmente, i medici si affidano a dispositivi diagnostici che richiedono un minimo di quattro ore di preparazione del campione attraverso centri diagnostici centralizzati piuttosto che i loro uffici locali".

Nel 2017, Nunna ha ricevuto il "Best Design in Healthcare Innovations and Point-of-Care Innovations Award" alla conferenza Healthcare Innovation and Point-of-Care Technologies dalla Engineering in Medicine and Biology Society, tenutosi presso la sede dell'Istituto Superiore di Sanità a Bethesda, MD. Quello stesso anno, la tecnologia ha ricevuto il premio nazionale per l'innovazione alla TechConnect World Innovation Conference and Expo, una riunione annuale degli uffici di trasferimento tecnologico, aziende, e società di investimento che si incontrano per identificare tecnologie promettenti da tutto il mondo.