更快,更便宜,更好的诊断

手持设备,在几分钟内进行体检是一个转换技术。而不是船运毫升的血液或尿液样本集中的实验室进行处理和分析,现场即时诊断提供快速的答案从微升样品用最少的准备。这些微流控芯片实验室技术可以在一系列的情况下特别有用:紧急情况下,帮助病人监控自己的健康,或在地方小临床基础设施。

在过去的二十年里,微流体研究人员已经开发出成千上万的小型生物医学化验和全球现场即时诊断市场蓬勃发展超过170亿美元(£105亿),根据最近的一项估计。¹

然而芯片实验室设备还有很长的路从实现他们的潜能。今年早些时候,一个分析²通过大卫·毕比麦迪逊威斯康辛大学的生物学家在美国,和他的同事们研究发现,约85%的研究在这一领域仍然是发表在期刊关注工程,物理或化学,而不是生物医学——表明他们是发展,而不是实现的设备。

我们期刊和期刊论文这种东西,但临床诊断并没有实际上改变了很多在过去的几十年,”说Shana凯利加拿大多伦多大学的微流体诊断工作。

这种不匹配的原因有很多,包括获得监管部门批准的困难诊断设备和所需的巨额资金,采取任何产品从实验室到诊所。但是在许多情况下,芯片实验室设备不提供足够的优势,转变传统的测试系统。”要想成功,就必须赢得在多个方面——不仅便宜,不仅更快,不仅仅是一个更好的测试——它必须是所有这些的组合给你优势在诊所,”毕比说。

越来越多的研究人员正在寻找新的方法来解决这些障碍。而不是集中在一个小型试验的一个方面,他们正在采取一个更全面的方法:生产完成后,用户友好的设备和纺织公司把它们变成一个商业现实。³研究人员确实是改变他们如何做事,”说撒母耳新航,在纽约哥伦比亚大学的生物医学工程师,我们。“他们承认的挑战。”

大海中的一滴水

最普遍的医疗点设备在今天的市场倾向于依靠侧流试验,在分析物通过条形纸芯,捡标记试剂,最终产生一个可见的乐队在读出区域。早孕测试中使用的技术和检测流感感染和艾滋病毒。相比之下,糖尿病患者使用的葡萄糖测定仪依靠电极来测量葡萄糖的酶分解,提供准确的血糖读数。

这些都是非常成功的产品,但是他们说明当前设备的局限性,更复杂的检测必须克服的困难。横向流测试是便宜,但他们通常只检测一个生物标志物,并不是特别敏感,并提供定性结果,误解是开放的。在某些情况下,横向流测试可能不符合成本效益,因为他们导致太多不必要的治疗,甚至误诊。“假阳性和阴性是非常昂贵的,”说亚伦·惠勒多伦多大学的分析化学(面试:Algae-on-a-chip)。

葡萄糖测定仪提供定量读出,但检测的分析物在血液中浓度远高于其他疾病生物标记物,使它更容易得到一个准确的阅读。大量的糖尿病患者,他们需要的频率测试他们的血液,也创造了一个巨大的市场,这有助于吸引投资开发的设备。

更复杂的设备,能同时处理多个生物标志物也看到更大的使用。i-STAT,例如,一个手持血液分析仪,可以测量离子钠和钾等血液气体,血红蛋白和更多。其制造商,阿伯特说,大约50000的设备正在使用,每年进行1亿测试。这是成为标准的一线系统在急诊室,“惠勒说。

然而,在1992年获得FDA的批准后,i-STAT”了很长一段时间来渗透市场,毕比说。现场即时诊断相比,潜在市场——这是每一个人,包括病人、医生和药剂师——这是大海中的一滴水,“新航说。

调节音量

扩大他们的影响,即时设备必须完全自动化,要求几乎没有样品制备。这意味着挑选非常低浓度的特定生物标志物的汤相似的分子治疗血液或尿液。

传统实验室化验可能使用许多步骤净化他们的样本,然后放大关键生物标记的信号。取Elisa(酶联免疫吸附试验),最常见的一种实验室检测等生物分子的多肽,蛋白质或激素引发免疫反应——大致划分为抗原。在测试期间,目标分子标记与互补连接酶的抗体。这种酶在colourimetric试剂引起的颜色变化,这标志的存在目标生物标志物。测试还可以用于检测抗体。

自动即时装置,只需重新创建常规实验室Elisa是笨重的,复杂的和昂贵的。所以新航开发了另一个,他称之为mChip。⁴

使用酶,而是他的化验与抗体连接到金纳米粒子标记生物标记,然后将银离子的溶液。无论抗体绑定到目标,银可以检测到一个发光二极管和光电探测器系统,成本几磅。

测试进行微流体磁带由透明的聚苯乙烯,成本约六便士每生产一个模具的速度每40秒。试剂移动芯片中包含离散液滴,避免交叉污染;甚至可以把样品通过真空设备由画一个注射器的桶。

新航的团队已经利用mChip检测艾滋病毒和抗体梅毒螺旋体,引起梅毒的细菌。孕妇都是可以治疗的,减少的可能性,他们把疾病传染给他们的后代。“我的目标是让这个产品的发展中国家,”他说。

研究者们测试了他们的设备在数以百计的病人在卢旺达,发现它是敏感的实验室测试和大约10倍。⁵至关重要的是,mChip可以捕获弱阳性样本,将错过了横向流艾滋病毒测试。他们甚至把卫星和移动电话接收器,数据可以直接传送到中央集权的医疗设施。”这是一个很好的案例研究试图这么做,”毕比说。直到你开始使用样本一个病人,你真的不知道它的工作原理。

新航指出,大部分使用的基本技术mChip超过十年。在2004年他成立了一个公司叫克拉罗斯商业化系统,这是由跨国制药和诊断公司买的Opko健康在2011年。此后在欧洲获得批准的前列腺癌使用系统进行测试。

但新航继续完善他的设计。通常,他说,该领域的研究人员过于关注发展中新的化验,而不是现有技术统一成一个可行的设备。新航说,这是一个集成的挑战。”所有的碎片都有,但如何把它们放在一起?”

便宜

新航的选择材料,聚苯乙烯,选择容易制造,突出了另一个商业化的绊脚石。从历史上看,芯片实验室诊断设备往往是由玻璃、硅或聚二甲基硅氧烷(PDMS)。的PDMS无疑是最受欢迎的微流体设备材料——但这不是便宜,它不适合生物工作和很难扩大规模生产,”毕比说。

所以研究人员越来越多地转向材料更适合大批量、低成本生产。新航和塑料;但惠勒和其他许多人现在使用纸微流控设备,价格低廉,一次性,容易通过喷墨打印模式。

PDMS一直是最受欢迎的材料,但它不便宜

大卫·毕比

复杂的多步分析可以更难实现,部分是因为彼此残留试剂会污染的可能性。所以畜栏惠勒他的样品和试剂在离散液滴可能卷nanolitres——一种叫做数字微流体的技术。⁶数组所产生静电场具有电极移动滴芯片,根据需要合并或分裂,这样他们可以通过多个程序无需泵或其他运动部件。惠勒估计每个设备大约需要一分钟打印和成本不到三便士。因为渠道不刻在芯片,改变电极阵列产生的静电场液滴可以创建一个新的路线图。惠勒说,这是易于配置。

他的团队已经建立了几个化验这些芯片,包括证明原理检测风疹抗体,免疫球蛋白,有人已经有风疹后出现感染,或已接种。⁷它需要30单独的步骤,只需10分钟,和传统一样可再生的和敏感的测试——这一个简单的横向流测试将无法做的,他说。他们现在正在结合测试另一个风疹抗体,IgM,这表明一个持续的感染和很难区分免疫球蛋白。在未发表的结果,他的团队已经能够准确测出两个抗体和常规实验室测试中,和他的子公司,Kapplex,旨在商业化工作。

让它滑

化学家和工程师有时会认为临床医生会准备学习新技术——流体处理,例如,为了使用微流体设备。但将他们从中央实验室和接近病人,这些分析是完全自动的,”凯利说。

毕比的实验室都集中在简化样品处理。他的幻灯片(蹩脚滴提取滑动盖)技术依赖于微观顺磁珠从样本中提取核酸和其他生物分子液滴。顺磁珠一直以这种方式使用在实验室里,但是它涉及很多解决方案转移和清洗步骤太复杂可靠地纳入即时设备。

幻灯片包含一个滑动处理装有磁铁,电梯的珠子滴和移动设备就像一个古老的信用卡印刷机。珠子,他们的货物的处理转移分析物,第二组包含分析试剂滴,磁铁在基地把珠子远离盖子。

研究者改进设计,这样几乎没有延滞的液体从一个珠,使测试尽可能准确和可靠的常规化验。今年早些时候,毕比报道,珠子涂上一个特定的抗体可以可靠地将绿色荧光蛋白与红色荧光蛋白,以及DNA病毒RNA。⁸

毕比萨卢斯设备通过他的子公司发展发现,与其他公司合作。这很快将商业化的高潮——这是我们所有的样品制备工作,”他说。

靠近诊所

毕比认为微流控研究人员往往集中在系统的过度设计他们的设备,可能创建一个太复杂的诊断使用或难以生产。他说,解决方案是在密切合作与那些可能最终用户——生物学家和临床医生和集中精力使设备使用简单添加功能。

五年前,毕比搬到他的实验室去医院,他认为这与他的研究做一个巨大的差异。我每天都提醒,我们这样做的原因是病人,”他说。也很容易跟医生几乎每天,迅速寻找特定数据是否能改善治疗。

这是一个教训,凯利也在多伦多铭记在心。她是解决最棘手的一个问题在现场即时诊断-确定微量核酸和依赖与临床医生合作识别有用的测试和源病人的血液样本为她工作。

在她在加州理工学院的博士在美国,她帮助开发一种利用电化学找到突变的DNA序列,从那以后她已经改善这个系统,她所谓的光环的缓冲器位移分析。⁹

设备包含微小的纳米电极的时候给他们一个巨大的表面积,并涂以单股DNA的带负电。这些DNA探针只有正确的序列来绑定特定分析物如DNA、RNA和蛋白质。

20分钟可以产生巨大的差异

Shana凯利

带负电荷的探针DNA最初绑定到一个肽核酸轴承阳离子氨基酸,以助中和电荷。但是当一个分析物结合DNA探针,它取代了缓冲器,导致电极可以衡量的变化负责。电气信号太弱,无法可靠地检测微量生物标记,所以凯利已经添加了一些狡猾的氧化还原化学放大信号。

释放的缓冲器,DNA探针的负电荷吸引积极的钌复杂的解决方案,启动一个电化学循环,最终创造了一个更大的电子在电极。这使得非常敏感和具体检测分析物在几分钟之内,甚至从unpurified样本。

凯利说,他们可以达到同样水平的敏感性和特异性和传统DNA测试,而无需使用酶来放大信号,使系统更容易制造和包装。2010年,凯利成立了一个公司,Xagenic,把技术推向市场。他们的第一个产品,X1,目的是诊断传染病。“这就是20分钟可以产生巨大的差异,”她说。Xagenic计划明年临床试验——等待监管部门的批准,希望在2016年推出该设备。

凯利说,越来越多的研究人员在进行的现场即时诊断识别的需要为简单起见,工艺性和市场性。有更多的自动化被放入诊断系统现在——化学家有时认为这只是基本的工程,但它是非常重要的,”她说。这就是芯片上的实验室,从样品到回答没有一个人跑来跑去实验室,而是有一个芯片流体跑来跑去。”

改变的方法,将有助于实现全部潜能的即时微流体,使医生能够经常进行分子诊断在自己的办公室里。“它会发生,”凯利说。“五年后,这是标准的做法。

马克Peplow是一个基于科学记者在剑桥,英国