MIT开发出一种可以帮助诊断败血症的新型传感器

近日,麻省理工学院的研究人员在医学和生物学工程会议上发表了论文。他们描述了一种新型的微流体系统,通过简单地使用少量血液,能在大约25分钟内自动发现临床相关的IL-6水平以诊断败血症。

  当身体的免疫系统对感染作出反应时,会引发全身炎症链反应,而导致败血症。败血症的症状包括呼吸急促、高烧、高心率和其他并发症等。如果对这种情况不加控制的话,可能会导致脓毒性休克,导致器官停止运动和血压下降。一般情况下,为了诊断败血症,医生通常依赖于许多诊断工具,例如血液检查、生命体征以及其他成像和实验室检查。

MIT开发出一种可以帮助诊断败血症的新型传感器

麻省理工学院发明的微流体装置可以帮助医生诊断脓毒症,这是美国医院死亡的主要原因,它通过使用不到一滴手指刺血自动检测大约25分钟内败血症生物标志物的升高水平

  最近,有科学家已经确定血液中的蛋白质生物标志物可作为诊断败血症的早期指标:白细胞介素-6(IL-6)——一种响应炎症而产生的蛋白质,被证明是潜在的候选者。

  在患有败血症的患者中,IL-6的浓度可以在其他症状开始显示之前而不断增加。不过,目前即使IL-6的浓度增加的很明显,标准的测定装置也不能快速检测到它,因为此种蛋白质在血液中的水平极低。

  近日,麻省理工学院的研究人员在医学和生物学工程会议上发表了论文。他们描述了一种新型的微流体系统,通过简单地使用少量血液,能在大约25分钟内自动发现临床相关的IL-6水平以诊断败血症。

  在一个特定的微流体通道中,掺杂有抗体的微珠与血液样品进行结合,以便收集IL-6生物标记物。在另一个微流体通道中,仅包含生物标记物的珠子固定于一定电极,当电压通过电极时,每个带有生物标记的珠子产生电信号,随后将其转化为生物标记物浓度水平。

  对于急性疾病,例如败血症,其进展非常迅速并且可能危及生命,有一个快速测量这些非丰富生物标志物的系统是有帮助的。

  集成的自动化设计

  鉴定蛋白质生物标记物的标准分析是昂贵的,庞大的机器需要部署在实验室内,需要检测大约1毫升血液并在数小时内产生结果。在过去,已经有研究人员创建了便携式“即时护理”系统,利用微升血液在30分钟内获得类似的结果。

  然而,护理系统非常昂贵,因为这些产品大多数利用昂贵的光学组件来识别生物标记物。此外,它们只能捕获少量蛋白质,其中大部分还是血液中较多的蛋白质,而且任何使组件小型化、降低成本或提高蛋白质范围的尝试都会对其灵敏度产生负面影响。

  因此,研究人员在此次分析中,他们希望将经常在实验室中使用的基于磁珠测定的组分能够小型化,直到可以配置到能够测量大约几平方厘米的自动化微流体装置上。为了完成这项任务,必须在微米尺寸的通道中操纵磁珠,并且需要在微系统技术实验室中制造一种能够使流体自动运动的装置。

  珠子附着有吸引IL-6蛋白质的抗体以及称为辣根过氧化物酶的催化酶。然后将血液样品和珠子注射到装置中,穿过基本上是环路的“分析物捕获区”,沿着这个环路的是蠕动泵,通常用于调节液体,具有由外部电路自动控制的阀门。

  以特定顺序关闭和打开阀门允许血液循环并使珠子结合在一起。约10分钟后,IL-6蛋白质粘附在珠子上的抗体上。当阀门在那时自动重新配置时,混合物变成一个较小的环路,称为“检测区域”。通过小磁铁收集珠子进行短时间洗涤,然后在环路周围释放。大约10分钟后,几个珠子卡在一个电极上,该电极上有一种吸引IL-6蛋白的独特抗体。在此期间,溶液进入环路并冲洗未受束缚的珠子,而具有IL-6蛋白质的珠子留在电极上。

  由溶液携带的特定分子与辣根酶反应并产生易于响应电的化合物。在向溶液施加电压时,每个剩余的珠子产生微小的电流。通过“安培法”,将电流转换为可读信号。该新型装置对这些可读信号进行计数并测量IL-6浓度。

  最后,医生只需使用移液器装入血液样,按下一个按钮,25分钟后就会知道IL-6的浓度。

  该装置仅使用5μl血液,大约是刺破手指抽取的血液体积的四分之一,以及在基于实验室的测定中检测蛋白质生物标记物所需的100μl的一部分。该装置能够捕获低至16皮克/毫升的IL-6浓度,这意味着该装置足够灵敏。

  一般平台

  现有的设计具有八个单独的微流体通道,以同时确定许多不同的血液样品或生物标记物。可以在同一通道中使用不同的抗体同时检测许多生物标志物,或者可以在各个通道中使用不同的酶和抗体来鉴定不同的生物标志物。

  科学家们正计划开发一组主要的败血症生物标志物,包括降钙素原、C-反应蛋白、白细胞介素-8和白细胞介素-6,用于捕获该装置。然而,研究人员补充说,该装置可以测量任何类型疾病的任何数量的不同生物标志物。值得注意的是,美国食品和药物管理局已批准200多种蛋白质生物标志物用于治疗许多病症和疾病。

  这是一个非常通用的平台。如果想增加设备的物理足迹,可以扩展并设计更多通道,以检测任意数量的生物标记。

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