بیماری های عفونیزیست نشانگرهامعرفی فناوری

تشخیص سریع سپسیس به کمک میکروفلوئیدیک

سپسیس، یکی از علل اصلی مرگ در بیمارستان‌های ایالات متحده که تقریباً 250،000 بیمار را سالانه به کام مرگ می‌کشاند. محققان MIT یک سیستم مبتنی بر microfluidics طراحی کرده‌اند که به طور خودکار سطوح بالینی IL-6 را برای تشخیص سپسیس در حدود 25 دقیقه شناسایی می‌کند.


سپسیس زمانی اتفاق می‌افتد که پاسخ ایمنی بدن به عفونت، موجب شکل‌گیری واکنش زنجیره‌ای التهاب در سراسر بدن شده و افزایش ضربان قلب، تب بالا، کوتاه شدن نفس و مسائل دیگر را به همراه می‌آورد. چنانچه این شرایط کنترل نشده باقی بماند، می‌تواند منجر به شوک سپتیک شود که به دنبال آن فشار خون کاهش یافته و اندام‌ها از کار می‌افتند. برای تشخیص سپسیس، پزشکان به طور سنتی به ابزارهای تشخیصی مختلف، از جمله علائم حیاتی، آزمایش خون، و سایر ارزیابی‌های تصویربرداری و آزمایشگاهی، متکی هستند.

در سال‌های اخیر، محققان بیومارکرهای پروتئینی در خون یافته‌اند که شاخص‌های اولیه سپسیس هستند. یکی از کاندیداهای امیدوارکننده اینترلوکین 6 (IL-6) است که در پاسخ به التهاب تولید می‌شود. در بیماران مبتلا به سپسیس، سطوح IL-6 ساعت‌ها پیش از شروع علائم دیگر افزایش می‌یابد. اما حتی در این سطوح بالا، غلظت این پروتئین در خون برای همه دستگاه‌های ارزیابی متداول بسیار پایین بوده و امکان تشخیص سریع وجود ندارد.

محققان MIT یک سیستم مبتنی بر microfluidics طراحی کرده‌اند که به طور خودکار سطوح بالینی IL-6 را برای تشخیص سپسیس در حدود 25 دقیقه شناسایی می‌کند. در یک کانال microfluidic، میکرو مهره‌هایی وجود دارند که با آنتی‌بادی‌ها پوشانده شده و با یک نمونه خون برای جذب بیومارکر IL-6 ترکیب می‌شوند. در کانال دیگر، فقط مهره‌های حاوی بیومارکر هستند که به یک الکترود وصل می‌شوند. جریان ولتاژ از طریق الکترود یک سیگنال الکتریکی برای هر مهره پوشانده شده با بیومارکر تولید می‌کند که سپس به سطح غلظت بیومارکر تبدیل می‌شود.

برای یک بیماری حاد مانند سپسیس، که به سرعت پیشرفت کرده و می‌تواند زندگی فرد را به خطر بیاندازد، وجود سیستمی که به سرعت این بیومارکرهای غیر فراوان را اندازه‌گیری کند، بسیار مفید خواهد بود. هم‌چنین می‌توان به تدریج این بیماری را کنترل کرد.

ارزیابی‌های متداول که نشانگرهای پروتئینی را شناسایی می‌کنند دستگاه‌های بزرگ و گران‌قیمت وابسته به آزمایشگاه هستند که حدوداً به یک میلی‌لیتر خون نیاز دارند و نتایج را طی چند ساعت ارائه می‌دهند. در سال‌های اخیر، سیستم‌های مراقبتی قابل حملی توسعه یافته‌اند که با استفاده از میکرولیتر‌های خون نتایج مشابهی را در حدود 30 دقیقه فراهم می‌کنند. اما سیستم‌های مراقبت نقطه‌ای بسیار گران هستند چرا که اکثراً از اجزای نوری ارزشمند برای شناسایی بیومارکرها استفاده می‌کنند. آن‌ها هم‌چنین تنها تعداد کمی از پروتئین‌ها را جذب می‌کنند. هر گونه تلاش برای کاهش قیمت، کاهش اجزاء و یا افزایش محدوده پروتئین بر حساسیت آن‌ها تأثیر منفی می‌گذارد.

محققان در این پژوهش قصد داشتند تا اجزاء آزمایش مبتنی بر مهره مغناطیسی را که اغلب در آزمایشگاه‌ها استفاده می‌شود، به یک دستگاه میکروفلوئیدیک خودکار که تقریباً چند سانتی‌متر مربع است، کاهش دهند. این کار نیاز به دستکاری مهره‌ها در کانال‌هایی با اندازه میکرونی و ساخت یک دستگاه در آزمایشگاه تکنولوژی میکروسیستم‌ها داشت که حرکت مایعات در آن به صورت خودکار انجام شود.

مهره‌ها با یک آنتی‌بادی که IL-6 را جذب می‌کنند و یک کاتالیزور آنزیمی که پراکسیداز horseradish نامیده می‌شود، پوشانده شدند. مهره‌ها و نمونه خون تزریق شده به دستگاه وارد “ناحیه جذب آنالیت” می‌شوند که اساساً یک حلقه است. در امتداد حلقه یک پمپ غشایی برای کنترل مایعات وجود دارد با دریچه‌هایی که به طور خودکار توسط یک مدار خارجی کنترل می‌شوند. باز و بسته شدن دریچه‌ها در توالی‌های خاص، خون و مهره‌ها را با هم مخلوط کرده و به گردش درمی‌آورد. پس از حدود 10 دقیقه، پروتئین‌های IL-6 به آنتی‌بادی‌های روی مهره‌‌ها متصل می‌شوند.

تنظیم مجدد دریچه‌ها به صورت خودکار در همان زمان، مخلوط را به یک حلقه کوچک‌تر به نام “منطقه تشخیص” وارد می‌کند که در آن‌جا به دام می‌افتند. یک آهنربای کوچک، مهره‌ها را برای یک شستشوی مختصر، قبل از آزاد شدن آن‌ها در اطراف حلقه، جمع‌آوری می‌کند. پس از حدود 10 دقیقه، بسیاری از مهره‌ها روی یک الکترود پوشانده شده با آنتی‌بادی جداگانه که IL-6 را جذب می‌کند، چسبیده‌اند. در همان زمان، یک محلول به داخل حلقه جریان می‌یابد و مهره‌های متصل نشده را می‌شوید، در حالی که آن‌هایی که همراه با پروتئین IL-6 هستند بر روی الکترود باقی می‌مانند.

این محلول دارای یک مولکول خاص است که با آنزیم horseradish برای ایجاد ترکیبی که به برق پاسخ دهد، واکنش نشان می‌دهد. هنگامی که یک ولتاژ به محلول اعمال می‌شود، هر مهره باقی‌مانده یک جریان کوچک تولید می‌کند. آمپرسنج، جریان را به یک سیگنال قابل خوانش تبدیل می‌کند. این دستگاه سیگنال‌ها را شمارش کرده و غلظت IL-6 را محاسبه می‌کند. در پایان، پزشکان فقط با کمک یک پیپت، نمونه خون را بارگذاری کرده، سپس یک دکمه را فشار می‌دهند و 25 دقیقه بعد غلظت مشخص می‌شود.

این دستگاه حدود 5 میکرولیتر خون استفاده می‌کند که حدود یک چهارم حجم خون گرفته شده از سر انگشت است و کسری از 100 میکرولیتر مورد نیاز برای شناسایی بیومارکرهای پروتئینی در ارزیابی‌های مبتنی بر آزمایش است. این دستگاه غلظت IL-6 را تا 16 پیکوگرم در هر میلی‌لیتر ضبط می‌کند، که کم‌تر از غلظت‌هایی است که نشان‌دهنده‌ی سپسیس است، به این معنی که دستگاه برای تشخیص بالینی به اندازه کافی حساس است.

طرح فعلی دارای هشت کانال microfluidic جداگانه برای اندازه‌گیری بسیاری از بیومارکرهای مختلف و یا نمونه‌های خون به موازات هم است. آنتی‌بادی‌ها و آنزیم‌های مختلف می‌توانند در کانال‌های جداگانه برای تشخیص بیومارکرهای مختلف استفاده شوند، و یا آنتی‌بادی‌های مختلف می‌توانند در همان کانال برای تشخیص چند بیومارکر به ​​طور همزمان مورد استفاده قرار گیرند.

در ادامه، محققان قصد دارند یک دسته از بیومارکرهای مهم سپسیس برای جذب توسط دستگاه، از جمله اینترلوکین 6، اینترلوکین-8، پروتئین واکنش‌پذیر C و پروکلسی‌تونین را تولید کنند. هیچ نوع محدودیتی برای تعداد زیادی از نشانگرهای مختلف، که دستگاه بتواند برای هرگونه بیماری اندازه‌گیری کند، وجود ندارد. به طور مشخص، بیش از 200 نشانگر پروتئینی برای بیماری‌ها و شرایط مختلف توسط اداره غذا و داروی ایالات متحده تأیید شده است.

به گفته محققان، این پلتفرم بسیار عمومی است. چنانچه بخواهیم اثر فیزیکی دستگاه را افزایش دهیم، می‌توانیم کانال‌های بیش‌تری را برای تشخیص بیومارکرها به همان اندازه که می‌خواهیم، افزایش داده و طراحی کنیم.

توسط
EurekAlert
برچسب‌ها
نمایش بیشتر

نوشته‌های مشابه

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

دکمه بازگشت به بالا
EnglishIran
بستن
بستن