Трудность выявления мельчайших частиц заболеваний, циркулирующих в кровотоке, оказалась камнем преткновения при диагностике и лечении раковых заболеваний, которые незаметно прогрессируют с незаметными и незначительными симптомами. С новым электрохимическим биосенсорным устройством, которое идентифицирует мельчайшие сигналы, излучаемые этими биомаркерами, пара изобретателей NJIT надеются решить эту проблему.
Их работа в области обнаружения и диагностики заболеваний является иллюстрацией силы электрозондирования — и растущей роли инженеров в медицинских исследованиях.
«В идеале, хотелось бы, чтобы был простой, недорогой тест, выполняемый при регулярном посещении врача пациентом в отсутствие конкретных симптомов, чтобы выявить некоторые из самых тихих, смертельных Раков», — говорит Бхарат Бабу Нанна, недавний выпускник PH.D., который работал с Эон Су Ли, доцентом машиностроения над вопросом разработки нанотехнологического биочипа для обнаружения рака, малярии и вирусных заболеваний, таких как пневмония, на ранних стадиях их прогрессирования с помощью анализа крови путем простого булавочного укола.
Их устройство включает в себя микрофлюидный канал, через который небольшое количество крови проходит через платформы, покрытые биологическим агентом, которые связываются с целевым биомаркеров болезни в организме жидкости, такие как кровь, слезы и моча… тем самым вызывая электрический разряд в наносхеме, сигнализируя об их присутствии.
В исследовании, недавно опубликованном в Nano Covergence, Нанна и его соавторы продемонстрировали использование наночастиц золота для повышения чувствительности сенсорного сигнала своего устройства при обнаружении рака, среди других результатов.
Одним из основных нововведений устройства является возможность отделения плазмы крови от цельной крови в ее микрофлюидных каналах. Плазма крови несет биомаркеры болезни, и поэтому необходимо отделить ее для повышения соотношения «сигнал/шум» для достижения высокой точности теста. Автономный прибор анализирует образец крови не более 2-х минут без необходимости подключать его к любым другим внешним устройствам, т.е. он автономен.
«Наш подход обнаруживает целевые биомолекулы болезни в концентрации Фемто масштаба, которая меньше, чем нано и даже Пико масштаба, и сродни поиску планеты в скоплении галактик. Текущая технология зондирования ограничена концентрациями в тысячу раз больше. Использование наноразмерной платформы позволяет нам идентифицировать эти заболевания на самых ранних стадиях,» — говорит Нанна, добавляя, — «и отделяя плазму от крови, мы можем сконцентрировать биомаркеры заболевания.»
В другой недавней статье в BioNanoScience Нанна, Ли и их соавторы подробно изложили свои выводы о вариациях чувствительности на основе микрофлюидного потока.
В настоящее время Нанна является постдокторским научным сотрудником в Гарвардской Медицинской Школе, где он расширяет свои знания в области микрофлюидных платформ, используя их в исследованиях органов на чипе, проводимых с Су Рен Шин, главным исследователем и инструктором на медицинском факультете медицинской школы, который разрабатывает 3D-биопринтированные органоиды — искусственные органы, состоящие из культивированных клеток в структурированных гидрогелях для медицинских экспериментов.
«Я в первую очередь отвечаю за разработку микрофлюидных устройств, которые автоматизируют процесс биопринтинга 3D-органов, которые будут включены в чип для ряда целей. Например, мне поручено разработать автоматизированную платформу для долгосрочного анализа эффективности и токсичности лекарств для отслеживания рака печени и сердечных биомаркеров. Я буду интегрировать микрофлюидный биосенсор с моделью рака печени и сердца на чипе для непрерывного мониторинга», — говорит он.
«Измеряя концентрации биомаркеров, выделяемых из органов, подвергнутых 3D-биопринтингу, мы можем изучать воздействие лекарств на несколько органов, не причиняя вреда живому пациенту. Создание искусственных органов позволяет свободно экспериментировать.»
В будущем, добавляет он, работа в Гарварде потенциально может быть применена в регенеративной медицине. «Цель — разработка полнофункциональных 3D-биопринтированных органоидов и клинически значимых 3D-тканей для решения проблемы дефицита доноров при трансплантации.»
Нанна говорит, что его исследования в Гарвардской Медицинской Школе расширят его знания о программируемой микрофлюидике и точных методах электрохимического зондирования, которые, в свою очередь, помогут ему продвинуть его технологию биочипов. Цель является простой, стандартный тест для диагностики рака, в котором отсутствуют обычные на сегодня, сложные диагностические процедуры.
Ли и Нанна работали с онкологами в Weill Cornell Medicine и Hackensack Medical Center для выявления клинического применения их разработки. В том виде, в каком он был разработан в настоящее время, устройство будет обеспечивать как качественные, так и количественные результаты определения антигенов рака в образцах крови, предоставляя информацию о наличии и тяжести рака. Их следующим шагом, по его словам, будет расширение платформы для выявления нескольких заболеваний с помощью одного образца крови, полученного с помощью булавочного укола.
«Хотя сейчас здравоохранение считается быстро развивающейся технологией, есть еще много неудовлетворенных потребностей и задач, которые необходимо решить. Диагностика потенциально смертельных заболеваний на ранних стадиях является ключом к спасению жизней и улучшению результатов лечения пациентов», — говорит он, добавив: «существует огромная потребность в медицинских технологиях, включая универсальную диагностическую платформу, которая может обеспечить мгновенные результаты прямо в кабинете врача или в других специально организованных для этого местах.»
Нанна является соучредителем и главным научным сотрудником компании Abonics, Inc., стартап, созданный Ли для коммерциализации своего устройства. Он является соавтором Ли по трем опубликованным патентам на биочипы и шести дополнительным патентам, которые в настоящее время рассматриваются Бюро Патентов и Товарных Знаков США. Их технология получила финансовую поддержку от программы I-Corps Национального Научного Фонда и Фонда Здоровья Нью-Джерси (NJHF), некоммерческой корпорации, которая поддерживает лучшие биомедицинские исследования и связанные со здоровьем образовательные программы в Нью-Джерси.
«Как мы знаем, ранняя диагностика может значительно улучшить результаты лечения пациентов», — объяснил Джордж Ф. Генрих, доктор медицины, вице-председатель и генеральный директор NJHF, объявляя награду. «В настоящее время врачи полагаются на диагностические устройства, требующие не менее четырех часов пробоподготовки через централизованные диагностические центры, а не через их местные офисы.»
В 2017 году Нанна получил премию «Лучшая разработка в области инноваций в здравоохранения» на конференции «Инновации в области здравоохранения и технологий» от общества «Инженерия в медицине и биологии«, состоявшейся в штаб-квартире Национального Института Здравоохранения в Бетесде, штат Мэриленд. В том же году технология получила национальную инновационную премию на Всемирной инновационной конференции TechConnect и Expo, ежегодном собрании специалистов, компаний и инвестиционных фирм, которые встречаются для выявления перспективных технологий со всего мира.
Источник: New Jersey Institute of Technology