Wetenschappers vinden een apparaat ter grootte van een munt uit om snel bloedplasma te isoleren voor diagnostiek en precisiegeneeskunde

Wetenschappers van de Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore), hebben een chip ter grootte van een munt ontwikkeld die bloedplasma in slechts 30 minuten direct uit een buisje bloed kan isoleren, wat handiger en gebruiksvriendelijker is in vergelijking met de huidige gouden standaard , meerstaps centrifugatieproces.

Het apparaat, genaamd ExoArc, kan een hoge bloedplasmazuiverheid bereiken door in slechts één stap meer dan 99,9% van de bloedcellen en bloedplaatjes nauwkeurig en voorzichtig te verwijderen.

Dit zal de klinische analyse van de celvrije DNA- en RNA-moleculen enorm versnellen, evenals van nanodeeltjes die algemeen bekend staan ​​als extracellulaire blaasjes. Deze deeltjes worden vaak gebruikt om te screenen op biomarkers die verklikkers zijn die specifiek zijn voor bepaalde kankers en ziekten.

Momenteel is de enige manier om bloedplasma te isoleren het gebruik van een centrifuge, die bloedmonsters met hoge snelheid ronddraait om bloedcellen van plasma te scheiden.

Maar zelfs na twee ronden in de centrifuge zullen er nog steeds enkele cellen en bloedplaatjes in het bloedplasma aanwezig zijn die kunnen worden afgebroken of afgebroken, waardoor extra bio-inhoud vrijkomt, wat kan leiden tot ongewenste materialen die de nauwkeurigheid van diagnostische tests beïnvloeden. .

Als proof of concept bouwde het team een ​​draagbaar prototype-apparaat (van 30 cm x 20 cm x 30 cm) waarin de ExoArc-chip (3,5 cm x 2,5 cm x 0,3 cm) werd ondergebracht, die een grote touchscreen-interface heeft om instellingen aan te passen. evenals interne pompen en leidingen voor de verwerking van bloedmonsters en het verzamelen van het geïsoleerde bloedplasma.

Samen met klinische wetenschappers van het National Cancer Center Singapore (NCCS), het Tan Tock Seng Hospital (TTSH) en het Agency for Science, Technology and Research (A*STAR) heeft het team ExoArc klinisch gevalideerd door het microRNA-profiel van bloedplasma te analyseren. bij gezonde mensen en kankerpatiënten met behulp van een biomarkerpanel en ontdekte dat het niet-kleincellige longkanker kon diagnosticeren met een gevoeligheid van 90%.

Als innovatie heeft ExoArc momenteel twee patentaanvragen ingediend via NTUitive, het innovatie- en ondernemingsbedrijf van NTU, en zijn onderzoeksresultaten zijn onlangs gepubliceerd in ACS Nano.

Hoofdwetenschapper van het onderzoek, NTU-hoofddocent Hou Han Wei, zei dat het team ernaar streefde een snellere oplossing te vinden die de centrifuge zou kunnen vervangen, terwijl het toch plasma van hoge kwaliteit zou opleveren voor ziektescreening en onderzoek.

“Het is bijna 160 jaar geleden sinds de uitvinding van de eerste centrifuge en ongeveer 50 jaar sinds moderne hogesnelheidscentrifuges een standaardinstrument werden in laboratoria voor het bereiden van bloedmonsters. Ondanks deze vooruitgang is het scheiden van complexe vloeistoffen zoals bloed, dat uit verschillende celtypen bestaat en een breed scala aan biologische materialen blijft een uitdaging”, legt Assoc Prof Hou uit, een biomedisch ingenieur van de School of Mechanical and Aerospace Engineering en Lee Kong Chian School of Medicine (LKCMedicine).

“Door gebruik te maken van een uniek stromingsfenomeen in kleine kanaaltjes in een chip die ongeveer zo groot is als een dollarmunt, kunnen we nu efficiënt kleine biologische materialen scheiden op basis van hun grootte, zonder gebruik te maken van fysieke membranen of filters. We hebben deze baanbrekende technologie getransformeerd in een apparaat ter grootte van een kleine desktopprinter, met plastic wegwerpchips om kruisbesmetting bij klinische tests te voorkomen.”

Co-auteur van het artikel, professor Darren Lim, senior consultant bij de afdeling Medische Oncologie bij NCCS en directeur onderzoek bij het SingHealth Duke-NUS Lung Center, legde het belang uit van bloedplasma van hoge kwaliteit.

“Het terugdringen van besmetting door aangetaste bloedcellen is cruciaal voor de nauwkeurigheid van diagnostische tests. Uit ons onderzoek blijkt dat dit apparaat snellere en nauwkeurigere klinische diagnoses mogelijk maakt, waardoor de wachttijd voor testresultaten aanzienlijk wordt verkort, de angst van patiënten wordt verminderd en uiteindelijk hun algehele zorg wordt verbeterd. Dit is vooral belangrijk voor de behandeling van kanker”, aldus prof. Lim.

In een andere demonstratie van de brede toepassing ervan gebruikte het team ExoArc om microRNA-moleculen te bestuderen uit bloedplasmamonsters van gezonde personen en mensen met diabetes mellitus type 2 met behulp van kwantitatieve polymerasekettingreactie (PCR).

Uit slechts één buisje bloed identificeerden ze 293 verschillende microRNA-moleculen. Het onderzoeksteam ontdekte ook dat het microRNA-profiel van plasma’s en extracellulaire blaasjes van personen met diabetes type 2 een andere samenstelling had dan die van gezonde deelnemers. Dit suggereert het potentieel van ExoArc bij het helpen isoleren en identificeren van ziektegerelateerde biomarkers.

Universitair hoofddocent Rinkoo Dalan, senior consultant gespecialiseerd in diabetes en endocrinologie bij het Tan Tock Seng-ziekenhuis, zei dat de eerste resultaten veelbelovend zijn en het potentieel aantonen dat ExoArc precisiegeneeskunde kan helpen stimuleren.

“Deze technologie kan artsen helpen complicaties van chronische metabolische aandoeningen zoals diabetes beter te voorspellen en te beheersen, door nauwkeurigere, tijdige en geïndividualiseerde informatie te verstrekken. Door specifieke biomarkers nauwkeurig te detecteren, kunnen we behandelingen afstemmen op de unieke behoeften van elke patiënt, waardoor de resultaten mogelijk worden verbeterd en het verbeteren van de kwaliteit van de zorg”, zegt Assoc Prof. Dalan, die ook docent is bij LKCmedicine.

ExoArc versus conventionele centrifuge

De huidige gouden standaardmethode voor het isoleren van bloedplasma is gebaseerd op centrifuges, wat niet onfeilbaar is en sterk afhankelijk is van de vaardigheid van de technici die het plasma na elke spin handmatig extraheren.

Zelfs na twee centrifugatierondes, die tot een uur kunnen duren, kunnen resterende biologische cellen in het plasma achterblijven, wat mogelijk de RNA-tests besmet en tot onnauwkeurige resultaten leidt.

Een van de belangrijkste redenen is dat bloedtesten tijdgevoelig zijn en binnen een dag of zelfs een paar uur moeten worden verwerkt om de snelle afbraak van biologisch materiaal uit de cellen te voorkomen. Door deze afbraak wordt extra DNA, RNA of blaasjes in het plasma geïntroduceerd, wat de testresultaten kan vertekenen.

Laboratoria wachten doorgaans met het verzamelen van meerdere bloedmonsters voordat ze de centrifuge gebruiken, waardoor het isolatieproces met enkele uren wordt verlengd. Deze vertraging, gecombineerd met de langere duur van het centrifugeren en de variabiliteit van de operator, maakt het soms een uitdaging om wetenschappelijke bevindingen tussen verschillende onderzoekslaboratoria te vergelijken.

In tegenstelling tot de centrifugemachine die gewoonlijk meerdere buisjes met bloedmonsters verwerkt, kan de ExoArc-technologie worden opgeschaald door meerdere kanalen te ontwerpen om tegelijkertijd bloedplasma te isoleren wanneer bloedmonsters in klinieken of ziekenhuizen worden ontvangen, op een snellere en consistentere manier.

In de toekomst zou dit proces kunnen worden geautomatiseerd tot een proces in één stap, waardoor de tijd die nodig is om monsters voor te bereiden voor testen aanzienlijk wordt verkort en het diagnostische proces wordt gestroomlijnd, waardoor de totale kosten mogelijk kunnen worden verlaagd. Door de groottelimiet aan te passen, kan deze platformtechnologie ook worden gebruikt om bacteriën of virussen uit bloed of andere biovloeistoffen te isoleren.

De ontwikkeling van ExoArc wordt ondersteund door een Proof-of-Concept en Proof-of-Value-subsidie ​​van het NTUitive Gap Fund, onder het NTU Innovation and Entrepreneurship-initiatief. Dit initiatief wil onderzoek omzetten in praktische innovaties die maatschappelijke uitdagingen, zoals de vergrijzing, aanpakken en aanzienlijke economische voordelen voor Singapore genereren.