Denominato ExoArc, il dispositivo può raggiungere un'elevata purezza del plasma sanguigno rimuovendo oltre il 99,9% delle cellule del sangue e delle piastrine in modo preciso e delicato in un solo passaggio.

Ciò accelererà notevolmente l’analisi clinica delle molecole di DNA e RNA prive di cellule, nonché delle nanoparticelle comunemente note come vescicole extracellulari. Queste particelle vengono spesso utilizzate per individuare biomarcatori che sono segni rivelatori specifici di determinati tumori e malattie.

Attualmente, l'unico modo per isolare il plasma sanguigno è utilizzare una centrifuga, che fa girare i campioni di sangue ad alta velocità per separare le cellule del sangue dal plasma.

Tuttavia, anche dopo due cicli di centrifugazione, nel plasma sanguigno saranno ancora presenti alcune cellule e piastrine che potrebbero rompersi o degradarsi, rilasciando ulteriore contenuto biologico e formando così materiali indesiderati che influiscono sull'accuratezza dei test diagnostici. .

Come prova del concetto, il team ha costruito un prototipo di dispositivo portatile (che misura 30 cm x 20 cm x 30 cm) per ospitare il chip ExoArc (3,5 cm x 2,5 cm x 0,3 cm), dotato di un'ampia interfaccia touchscreen per regolare le impostazioni, nonché pompe interne e tubazioni per il trattamento di campioni di sangue e la raccolta del plasma sanguigno isolato.

Insieme a medici-scienziati del National Cancer Center Singapore (NCCS), del Tan Tock Seng Hospital (TTSH) e dell'Agenzia per la scienza, la tecnologia e la ricerca (A*STAR), il team ha convalidato clinicamente ExoArc analizzando il profilo dei microRNA del plasma sanguigno in persone sane e malati di cancro utilizzando un pannello di biomarcatori e ha scoperto che era in grado di diagnosticare il cancro del polmone non a piccole cellule con una sensibilità del 90%.

Come innovazione, ExoArc ha attualmente due domande di brevetto depositate tramite NTUitive, la società di innovazione e impresa di NTU, e i risultati dello studio sono stati pubblicati di recente in ACS Nano .

Lo scienziato capo dello studio, il professore associato della NTU Hou Han Wei, ha affermato che il team mirava a trovare una soluzione più rapida che potesse sostituire la centrifuga, pur producendo plasma di alta qualità per lo screening e la ricerca sulle malattie.

"Sono trascorsi quasi 160 anni dall'invenzione della prima centrifuga e circa 50 anni da quando le moderne centrifughe ad alta velocità sono diventate uno strumento standard nei laboratori per la preparazione dei campioni di sangue. Nonostante questi progressi, la separazione di liquidi complessi come il sangue, che comprende vari tipi di cellule e una vasta gamma di materiali biologici, rimane una sfida", ha spiegato il prof Hou dell'Assoc, un ingegnere biomedico della Scuola di ingegneria meccanica e aerospaziale e della Lee Kong Chian School of Medicine (LKCMedicine).

"Sfruttando l'esclusivo fenomeno del flusso in minuscoli canali in un chip delle dimensioni di una moneta da un dollaro, ora possiamo separare in modo efficiente piccoli materiali biologici in base alle loro dimensioni senza utilizzare membrane o filtri fisici. Abbiamo trasformato questa tecnologia innovativa in un dispositivo delle dimensioni di una piccola stampante desktop, dotato di chip di plastica usa e getta per prevenire la contaminazione incrociata nei test clinici."

Il coautore dell'articolo, il professor Darren Lim, consulente senior presso la Divisione di Oncologia Medica presso l'NCCS e Direttore della ricerca presso il SingHealth Duke-NUS Lung Center, ha spiegato l'importanza del plasma sanguigno di alta qualità.

"Ridurre la contaminazione da cellule del sangue degradate è fondamentale per l'accuratezza dei test diagnostici. Il nostro studio dimostra che questo dispositivo consente diagnosi cliniche più rapide e precise, diminuendo significativamente il tempo di attesa per i risultati dei test, riducendo l'ansia dei pazienti e, in definitiva, migliorando la loro cura generale. Ciò è particolarmente significativo per il trattamento del cancro", ha affermato il prof. Lim.

In un'altra dimostrazione della sua ampia applicazione, il team ha utilizzato ExoArc per studiare le molecole di microRNA da campioni di plasma sanguigno di individui sani e di soggetti affetti da diabete mellito di tipo 2 utilizzando la reazione a catena della polimerasi (PCR) quantitativa.

Da una sola provetta di sangue, hanno identificato 293 diverse molecole di microRNA. Il gruppo di ricerca ha anche scoperto che il profilo dei microRNA dei plasma e delle vescicole extracellulari di individui con diabete di tipo 2 aveva una composizione diversa rispetto ai partecipanti sani. Ciò suggerisce il potenziale di ExoArc nel contribuire a isolare e identificare biomarcatori correlati alla malattia.

Il professore associato Rinkoo Dalan, consulente senior specializzato in diabete ed endocrinologia presso l'ospedale Tan Tock Seng, ha affermato che i risultati iniziali sono promettenti e mostrano il potenziale di ExoArc in grado di contribuire a promuovere la medicina di precisione.

"Questa tecnologia può aiutare i medici a prevedere e gestire meglio le complicanze delle condizioni metaboliche croniche come il diabete, fornendo informazioni più accurate, tempestive e personalizzate. Rilevando accuratamente biomarcatori specifici, possiamo adattare i trattamenti alle esigenze specifiche di ciascun paziente, migliorando potenzialmente i risultati e migliorare la qualità delle cure", ha affermato il prof. Dalan dell'Assoc, che insegna anche presso LKCmedicine.

ExoArc rispetto alla centrifuga convenzionale

L'attuale metodo standard per isolare il plasma sanguigno si basa sulle centrifughe, che non sono infallibili e dipendono fortemente dall'abilità dei tecnici che estraggono manualmente il plasma dopo ogni giro.

Anche dopo due cicli di centrifugazione, che possono richiedere fino a un'ora, le cellule biologiche residue possono rimanere nel plasma, contaminando potenzialmente i test dell'RNA e portando a risultati imprecisi.

Uno dei motivi principali è che gli esami del sangue sono urgenti e richiedono l’elaborazione entro un giorno o addirittura poche ore per prevenire la rapida degradazione del materiale biologico dalle cellule. Questa degradazione introduce ulteriore DNA, RNA o vescicole nel plasma, che possono distorcere i risultati del test.

I laboratori in genere aspettano di accumulare più campioni di sangue prima di utilizzare la centrifuga, prolungando il processo di isolamento di diverse ore. Questo ritardo, combinato con la durata prolungata della centrifugazione e la variabilità dell'operatore, a volte rende difficile confrontare i risultati scientifici tra diversi laboratori di ricerca.

A differenza della macchina centrifuga che solitamente elabora più provette di campioni di sangue, la tecnologia ExoArc può essere ampliata progettando più canali per isolare simultaneamente il plasma sanguigno man mano che i campioni di sangue vengono ricevuti in cliniche o ospedali in modo più rapido e coerente.

In futuro, questo processo potrebbe essere automatizzato in un unico passaggio, il che ridurrebbe significativamente il tempo necessario per preparare i campioni per i test e semplificherebbe il processo diagnostico, contribuendo potenzialmente a ridurre i costi complessivi. Regolando il limite dimensionale, questa tecnologia della piattaforma può essere utilizzata anche per isolare batteri o virus dal sangue o da altri biofluidi.

Lo sviluppo di ExoArc è supportato da una sovvenzione Proof-of-Concept e Proof-of-Value da parte del NTUitive Gap Fund, nell’ambito dell’iniziativa NTU Innovation and Entrepreneurship. Questa iniziativa mira a trasformare la ricerca in innovazioni pratiche che affrontano le sfide sociali, come l'invecchiamento della popolazione, e generano vantaggi economici significativi per Singapore.