Σχεδόν ανώδυνο επίθεμα μικροβελόνων (microneedle patch) μπορεί να ελέγξει για αντισώματα και πολλά περισσότερα απο το υγρό μεταξύ των κυττάρων

Οι μηχανικοί στη Σχολή Μηχανικών της McKelvey στο Πανεπιστήμιο της Ουάσινγκτον στο Σεντ Λούις έχουν αναπτύξει ένα επίθεμα μικροβελόνων που μπορεί να εφαρμοστεί στο δέρμα, να συλλάβει έναν βιοδείκτη ενδιαφέροντος από το διάμεσο υγρό και, χάρη στην πρωτοφανή ευαισθησία του, επιτρέπει στους κλινικούς γιατρούς να εντοπίσουν την παρουσία του. 

Brandie Jefferson

Η λήψη αίματος δεν είναι ευχάριστη.

Πονάει. Οι φλέβες μπορεί να σκάσουν ή ακόμα και να μετακινηθούν - σαν να προσπαθούν και οι ίδιες οι φλέβες να αποφύγουν τη βελόνα.

Συχνά, οι γιατροί χρησιμοποιούν δείγματα αίματος για να ελέγξουν τους βιοδείκτες της νόσου: αντισώματα που σηματοδοτούν μια ιογενή ή βακτηριακή λοίμωξη, όπως τον SARS-CoV-2, τον ιό που είναι υπεύθυνος για τον COVID-19, ή τις κυτοκίνες που είναι δείκτες φλεγμονής και παρατηρούνται σε καταστάσεις όπως η ρευματοειδής αρθρίτιδα και η σήψη.

Ωστόσο, αυτοί οι βιοδείκτες δεν είναι μόνο στο αίμα. Μπορούν επίσης να βρεθούν στο πυκνό υγρό μέσο που περιβάλλει τα κύτταρα μας, [σ.ι. είναι το δερματικό διάμεσο υγρό - dermal interstitial fluid (ISF) ] αλλά σε χαμηλή ποσότητα που το καθιστά δύσκολο να εντοπιστεί.

Μέχρι τώρα.

Οι μηχανικοί στη Σχολή Μηχανικών της McKelvey στο Πανεπιστήμιο της Ουάσινγκτον στο St. Louis έχουν αναπτύξει ένα επίθεμα μικροβελόνων ( microneedle  patch ) που μπορεί να εφαρμοστεί στο δέρμα, να συλλάβει τον θεμιτό βιοδείκτη  και, χάρη στην άνευ προηγουμένου ευαισθησία του, επιτρέπει στους κλινικούς γιατρούς να εντοπίσουν την παρουσία του.

Η τεχνολογία είναι χαμηλού κόστους, εύκολη προς χρήση για έναν κλινικό ιατρό ή για τους  ίδιους τους ασθενείς και θα μπορούσε να εξαλείψει την ανάγκη επίσκεψης στο νοσοκομείο μόνο για λήψη αίματος.

Η έρευνα, από το εργαστήριο του Srikanth Singamaneni, καθηγητή στο Lilyan & E. Lisle Hughes, στο Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών & Επιστημών Υλικών, δημοσιεύθηκε στο διαδίκτυο στις 22 Ιανουαρίου στο περιοδικό Nature Biomedical Engineering .

Εκτός από το χαμηλό κόστος και την ευκολία χρήσης, αυτά τα επιθέματα μικροβελόνων έχουν ένα άλλο πλεονέκτημα σε σχέση με τις λήψεις αίματος, ίσως το πιο σημαντικό χαρακτηριστικό για ορισμένους: "Είναι εντελώς ανώδυνα", δήλωσε ο Singamaneni.

Η εύρεση ενός βιοδείκτη χρησιμοποιώντας αυτά τα επιθέματα είναι παρόμοια με την εξέταση αίματος. Αλλά αντί να χρησιμοποιούν ένα διάλυμμα για να βρουν και να "μετρήσουν" τον βιοδείκτη στο αίμα, οι μικροβελόνες το συλλαμβάνουν απευθείας από το υγρό που περιβάλλει τα κύτταρα μας στο δέρμα, το οποίο ονομάζεται δερματικό διάμεσο υγρό (ISF). Μόλις γίνει η συλλογή των βιοδεικτών, εντοπίζονται με τον ίδιο τρόπο - χρησιμοποιώντας φθορισμό για να δείξουν την παρουσία και την ποσότητα τους.

Το ISF είναι μια πλούσια πηγή βιομορίων, πυκνά ενωμένα με οτιδήποτε, από νευροδιαβιβαστές έως κυτταρικά απόβλητα. Ωστόσο, για να αναλυθούν οι βιοδείκτες στο ISF, η συμβατική μέθοδος απαιτεί γενικά την εξαγωγή του ISF από το δέρμα. Αυτή η μέθοδος είναι δύσκολη και συνήθως η ποσότητα ISF που μπορεί να ληφθεί δεν επαρκεί για ανάλυση. Αυτό ήταν ένα μεγάλο εμπόδιο για την ανάπτυξη τεχνολογίας βιοαισθητήρα με βάση τις μικροβελόνες.

Μια άλλη μέθοδος περιλαμβάνει την άμεση συλλογή του βιοδείκτη στο ISF χωρίς να χρειάζεται η εξαγωγή του. Όπως όταν βρίσκεστε σε μια συναυλία με πολύ κόσμο και προσπαθείτε να προχωρήσετε μπροστά, ο βιοδείκτης πρέπει να κάνει ελιγμούς μέσα σε μια γεμάτη, δυναμική "σούπα"  απο δερματικό διάμεσο υγρό ISF προτού φτάσει τη μικροβελόνα στον ιστό του δέρματος. Υπό τέτοιες συνθήκες, με  τη χρήση της παραδοσιακής ανάλυσης δεν είναι εύκολο να γίνει καταγραφή του βιοδείκτη  .

Όμως η ομάδα έχει ένα μυστικό όπλο: τον «πλασμονικό-φθορισμό» ( σ.ι. τον Απρίλιο 2020 , ανακοινώθηκε η ομοσπονδιακή χρηματοδότηση  του προγράμματος για το Rapid Test  του Covid-19 με την χρήση της τεχνολογίας  Plasmonic fluorescence ), εναν πολύ φθορίζων δείκτη μέτρησης σε νανοκλίμακα. Σε σύγκριση με τους παραδοσιακούς δείκτες φθορισμού, όταν έγινε ένας προσδιορισμός με επίθεμα μικροβελόνων χρησιμοποιώντας πλασμονικό-φθορισμό, το σήμα των βιοδεικτών πρωτεΐνης του στόχου έλαμψε περίπου 1.400 φορές περισσότερο και έγινε ανιχνεύσιμο ακόμη και με την ύπαρξη σε χαμηλές συγκεντρώσεις.

"Προηγουμένως, οι συγκεντρώσεις ενός βιοδείκτη έπρεπε να ήταν της τάξης μερικών μικρογραμμαρίων ανά χιλιοστόλιτρο υγρού", δήλωσε ο Zheyu (Ryan) Wang, μεταπτυχιακός φοιτητής στο εργαστήριο του Singamaneni και ένας από τους συγγραφείς της μελέτης. Αυτό είναι πολύ πιο πέρα ​​από το πραγματικό φυσιολογικό εύρος. Χρησιμοποιώντας όμως πλασμονικό φθορισμό, η ερευνητική ομάδα μπόρεσε να ανιχνεύσει βιοδείκτες σε γραμμάρια- κλίμακας πίκο (picograms ή 10^-12g ) ανά χιλιοστόλιτρο.

"Είναι τάξεις μεγέθους πιο ευαίσθητες", είπε ο Ράιαν.

Αυτά τα επιθέματα έχουν μια σειρά από ιδιότητες που μπορούν να έχουν πραγματικό αντίκτυπο στην ιατρική, τη φροντίδα των ασθενών και την έρευνα.

Θα επέτρεπαν στους παρόχους να παρακολουθούν τους βιοδείκτες με την πάροδο του χρόνου, ιδιαίτερα σημαντικοί όσον αφορά την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο αναπτύσσεται η ανοσία σε νέες ασθένειες.

Για παράδειγμα, οι ερευνητές που εργάζονται σε εμβόλια COVID-19 πρέπει να γνωρίζουν εάν οι άνθρωποι παράγουν τα σωστά αντισώματα και για πόσο καιρό. «Ας βάλουμε ένα επίθεμα», είπε ο Singamaneni, «και ας δούμε αν το άτομο έχει αντισώματα κατά του COVID-19 και σε ποιο επίπεδο».

Ή, σε περίπτωση έκτακτης ανάγκης, "Όταν κάποιος παραπονιέται για πόνο στο στήθος και μεταφέρεται στο νοσοκομείο με ασθενοφόρο, ελπίζουμε οτι ακριβώς εκείνη τη στιγμή και εκεί που θα βρίσκεται, να μπορεί να εφαρμοστεί το επίθεμα", είπε ο Jingyi Luan, φοιτητής που αποφοίτησε πρόσφατα από το εργαστήριο Singamaneni - και ένας από τους κύριους συγγραφείς της μελέτης. Αντί να χρειαστεί να φτάσουν στο νοσοκομείο και να αναρροφήσουν αίμα, το προσωπικό στα επείγοντα περιστατικά θα μπορούσε να χρησιμοποιήσει ένα επίθεμα μικροβελόνων για να ελέγξουν την τροπονίνη, τον βιοδείκτη που υποδεικνύει έμφραγμα του μυοκαρδίου.

Για άτομα με χρόνιες παθήσεις που απαιτούν τακτική παρακολούθηση, τα επιθέματα από μικροβελόνες θα μπορούσαν να εξαλείψουν τα περιττά ταξίδια στο νοσοκομείο, εξοικονομώντας χρήματα, χρόνο και ταλαιπωρία - πολλή ταλαιπωρία.

Τα επιθέματα είναι σχεδόν ανώδυνα. "Πηγαίνουν περίπου 400 microns βαθιά,  στον δερματικό ιστό", δήλωσε ο Singamaneni. "Δεν αγγίζουν ούτε αισθητήρια νεύρα."

Στο εργαστήριο, η χρήση αυτής της τεχνολογίας θα μπορούσε να περιορίσει τον αριθμό των ζώων που απαιτούνται για έρευνα. Μερικές φορές η έρευνα απαιτεί πολλές διαδοχικές μετρήσεις για να συλλάβει με αρκετή ροή και σε ποσότητα  τους βιοδείκτες - για παράδειγμα, για την παρακολούθηση της εξέλιξης της σήψης. Μερικές φορές, αυτό σημαίνει πολλά μικρά ζώα.

"Θα μπορούσαμε να μειώσουμε σημαντικά τον αριθμό των ζώων που απαιτούνται για τέτοιες μελέτες", δήλωσε ο Singamaneni.

Οι συνέπειες είναι τεράστιες - και το εργαστήριο του Singamaneni θέλει να βεβαιωθεί ότι όλα έχουν εξερευνηθεί.

Υπάρχει πολλή δουλειά που πρέπει να γίνει, είπε: "Θα πρέπει να καθορίσουμε τις κλινικές αποκοπές", δηλαδή, το εύρος του βιοδείκτη στο ISF που αντιστοιχεί σε ένα κανονικό έναντι μη φυσιολογικό επίπεδο. "Θα πρέπει να καθορίσουμε ποια επίπεδα βιοδείκτη είναι φυσιολογικά, ποια επίπεδα είναι παθολογικά." Και η ερευνητική του ομάδα εργάζεται για μεθόδους παράδοσης για μεγάλες αποστάσεις και δύσκολες συνθήκες, παρέχοντας επιλογές για τη βελτίωση της υγειονομικής περίθαλψης στην ύπαιθρο.

"Αλλά δεν χρειάζεται να τα κάνουμε όλα αυτά μόνοι μας", είπε ο Singamaneni. Αντ 'αυτού, η τεχνολογία θα είναι διαθέσιμη σε ειδικούς σε διάφορους τομείς της ιατρικής.

"Έχουμε δημιουργήσει μια τεχνολογία πλατφόρμας που μπορεί να χρησιμοποιήσει ο καθένας", είπε. "Και μπορούν να το χρησιμοποιήσουν για να βρουν τους βιοδείκτες που τους ενδιαφέρουν."

Δεν χρειάζεται να κάνουμε όλα αυτά μόνοι μας

Οι Singamaneni και Erica L. Scheller, επίκουρος καθηγητής Ιατρικής στο Τμήμα Οστών και Ορυκτών Νόσων στη Σχολή Ιατρικής, συνεργάστηκαν για να διερευνήσουν τη συγκέντρωση των βιοδεικτών στους τοπικούς ιστούς.

Οι τρέχουσες προσεγγίσεις για μια τέτοια αξιολόγηση απαιτούν την απομόνωση των τοπικών ιστών και δεν επιτρέπουν τη διαδοχική και συνεχή επιθεώρηση. Οι Singamaneni και Scheller αναπτύσσουν μια καλύτερη πλατφόρμα για την επίτευξη μακροχρόνιας παρακολούθησης της τοπικής συγκέντρωσης βιοδεικτών .

Δουλεύοντας μαζί

Ο Srikanth Singamaneni,  καθηγητής στο Lilyan E. Lisle Hughes στο Τμήμα Επιστήμης Μηχανολόγων Μηχανικών & Επιστήμης Υλικών, και ο Jai S. Rudra, επίκουρος καθηγητής στο Τμήμα Βιοϊατρικής Μηχανικής, συνεργάστηκαν για να εξετάσουν τα εμβόλια κοκαΐνης, τα οποία λειτουργούν εμποδίζοντας την ικανότητα της κοκαΐνης να διεισδύσει στον εγκέφαλο.

Οι σημερινοί υποψήφιοι για ένα τέτοιο εμβόλιο δεν παρέχουν μακροχρόνια αποτελέσματα. απαιτούν συχνή ενίσχυση. Ο Singamaneni και ο Rudra ήθελαν έναν καλύτερο τρόπο για να προσδιορίσουν πότε έχει μειωθεί η επίδραση του εμβολίου. "Έχουμε δείξει ότι μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τα επιθέματα για να καταλάβουμε εάν ένα άτομο παράγει ακόμα τα απαραίτητα αντισώματα", δήλωσε ο Singamaneni. "Δεν απαιτείται λήψη αίματος."

Δείτε επίσης :

«Έξυπνο» τσιρότο – Θα παρακολουθεί τις αντιδράσεις του οργανισμού

Τα νανο-εμβόλια του κορονοϊού