微流控装置可在几分钟内帮助诊断败血症

简述

当医院的时间很重要时，微流控自动化系统可以检测潜在威胁生命状况的早期生物标志物。

麻省理工学院研究人员设计的一种新型传感器可以显着加快诊断败血症的过程，败血症是美国医院每年导致近 250,000 名患者死亡的主要原因。

当身体对感染的免疫反应引发全身炎症连锁反应时，就会发生败血症，导致心率加快、高烧、呼吸急促和其他问题。

如果任其发展，可能会导致感染性休克，血压下降，器官功能关闭。为了诊断败血症，医生传统上依赖各种诊断工具，包括生命体征、血液检查以及其他成像和实验室检查。

近年来，研究人员在血液中发现了作为败血症早期指标的蛋白质生物标志物。一个有希望的候选者是白细胞介素 6 (IL-6)，这是一种响应炎症而产生的蛋白质。

在败血症患者中，IL-6 水平可能会在其他症状开始出现前数小时上升。但即使在这些升高的水平下，血液中这种蛋白质的总体浓度也太低，传统检测设备无法快速检测到它。

在本周举行的医学和生物学工程会议上发表的一篇论文中，麻省理工学院的研究人员描述了一种基于微流体的系统，该系统可以在大约 25 分钟内自动检测临床显着水平的 IL-6 以进行败血症诊断，使用的血液不到手指点刺.

在一个微流体通道中，带有抗体的微珠与血液样本混合以捕获 IL-6 生物标志物。在另一个通道中，只有含有生物标志物的珠子附着在电极上。

运行电压通过电极为每个带有生物标志物的珠子产生电信号，然后将其转换为生物标志物浓度水平。

第一作者、机械工程系博士生 Dan Wu 说：“对于一种急性疾病，例如败血症，这种疾病进展非常迅速并且可能危及生命，拥有一个能够快速测量这些非丰富生物标志物的系统是有帮助的。” . “您还可以经常监测疾病的进展情况。”

与吴一起发表论文的是 Joel Voldman，电气工程与计算机科学系教授兼副系主任、医疗电子设备实现中心联合主任、电子研究实验室和微系统技术实验室的首席研究员.

集成的自动化设计

检测蛋白质生物标志物的传统分析是笨重、昂贵的机器，实验室需要大约一毫升血液并在数小时内产生结果。

近年来，已经开发出使用微升血液在大约 30 分钟内获得类似结果的便携式“即时护理”系统。

但即时护理系统可能非常昂贵，因为大多数使用昂贵的光学组件来检测生物标志物。

它们也仅捕获少量蛋白质，其中许多是血液中含量较高的蛋白质。

任何降低价格、缩小成分或增加蛋白质范围的努力都会对其敏感性产生负面影响。

在他们的工作中，研究人员希望将实验室常用的基于磁珠的检测组件缩小到大约几平方厘米的自动化微流体设备上。

这需要在微米尺寸的通道中操纵珠子，并在微系统技术实验室制造一个自动流体运动的装置。

珠子上涂有吸引 IL-6 的抗体，以及一种称为辣根过氧化物酶的催化酶。珠子和血液样本被注入设备，进入“分析物捕获区”，这基本上是一个循环。

沿着回路是一个蠕动泵——通常用于控制液体——带有由外部电路自动控制的阀门。以特定顺序打开和关闭阀门使血液和珠子循环以混合在一起。大约 10 分钟后，IL-6 蛋白与珠子上的抗体结合。

那时自动重新配置阀门会迫使混合物进入一个更小的回路，称为“检测区”，它们被困在那里。一个微小的磁铁收集珠子进行短暂洗涤，然后将它们释放到环上。

大约 10 分钟后，许多珠子粘在电极上，电极上涂有吸引 IL-6 的单独抗体。那时，溶液流入环路并清洗未拴系的珠子，而带有 IL-6 蛋白的珠子则留在电极上。

该溶液带有一种特定的分子，该分子与辣根酶发生反应，产生一种对电有反应的化合物。当对溶液施加电压时，每个剩余的珠子都会产生一个小电流。

一种称为“安培计”的常见化学技术将电流转换为可读信号。该设备对信号进行计数并计算 IL-6 的浓度。

“最后，医生只需使用移液器装入血液样本即可。然后，他们按下一个按钮，25 分钟后他们就会知道 IL-6 的浓度，”吴说。

该设备使用大约 5 微升的血液，这大约是从手指刺中抽取的血液量的四分之一，也是在实验室检测中检测蛋白质生物标志物所需的 100 微升的一小部分。

该设备可捕获低至每毫升 16 皮克的 IL-6 浓度，低于指示败血症的浓度，这意味着该设备足够灵敏，可以提供临床相关检测。

微流控通用平台

当前的设计有八个独立的微流体通道，可以并行测量尽可能多的不同生物标志物或血液样本。

可以在不同的通道中使用不同的抗体和酶来检测不同的生物标志物，或者可以在同一通道中使用不同的抗体来同时检测多个生物标志物。

接下来，研究人员计划为该设备创建一组重要的败血症生物标志物，包括白细胞介素 6、白细胞介素 8、C 反应蛋白和降钙素原。

但吴说，对于任何疾病，该设备可以测量多少种不同的生物标志物确实没有限制。值得注意的是，美国食品和药物管理局已经批准了 200 多种针对各种疾病和病症的蛋白质生物标志物。

“这是一个非常通用的平台，”吴说。“如果你想增加设备的物理足迹，你可以扩大规模并设计更多的通道来检测尽可能多的生物标志物。”

麻省总医院医学工程中心生物微机电系统资源中心副教授兼副主任 Daniel Irimia 称这种生物传感器是“一项重大的技术成就”，可以帮助进一步研究 IL-6 在败血症和其他疾病中的作用. “几项研究估计了白介素 6 (IL-6) 水平与败血症之间的相关性。

然而，这些研究规模很小，因为测量 IL-6 水平的技术既繁琐又耗时。此外，这些研究还发现 IL-6 在非败血症、非感染性疾病中经常升高。因此，快速准确地测量 IL-6 的技术可以准确地进行更大规模的研究，以阐明 IL-6 作为生物标志物的临床价值，”他说。

这项工作由模拟设备公司、Maxim Integrated 和诺华生物医学研究所资助。