Взятие крови - это не весело.
Им больно. Вены могут лопнуть, а то и скатиться - будто иглы тоже пытаются избежать.
Часто врачи используют образцы крови для проверки биомаркеров заболевания: антител, сигнализирующих о вирусной или бактериальной инфекции, таких как SARS-CoV-2, вирус, ответственный за COVID-19; или цитокины, указывающие на воспаление, наблюдаемое при таких состояниях, как ревматоидный артрит и сепсис.
Эти биомаркеры находятся не только в крови. Их также можно найти в плотной жидкой среде, окружающей наши клетки, но в малом количестве, что затрудняет их обнаружение.
До сих пор.
Инженеры Инженерной школы МакКелви Вашингтонского университета в Сент-Луисе разработали пластырь с микроиглами, который можно наносить на кожу, улавливать интересующий биомаркер и благодаря беспрецедентной чувствительности позволяет врачам обнаруживать его присутствие.
Эта технология недорога, ее легко использовать врачу или самому пациенту, и она может устранить необходимость в поездке в больницу только для забора крови.
Исследование, проведенное в лаборатории Шриканта Сингаманени, профессора кафедры машиностроения и материаловедения Лилиан и Э. Лайл Хьюз, было опубликовано в Интернете 22 января в журнале Nature Biomedical Engineering.
Помимо низкой стоимости и простоты использования, эти пластыри с микроиглами имеют еще одно преимущество перед забором крови, возможно, самое важное для некоторых: «Они совершенно безболезненны», - сказал Сингаманени.
Поиск биомаркера с помощью этих пластырей с микроиглами аналогичен анализу крови. Но вместо того, чтобы использовать раствор для поиска и количественного определения биомаркера в крови, микроиглы захватывают его непосредственно из жидкости, окружающей наши клетки в коже, которая называется дермальной интерстициальной жидкостью (ИСЖ). После того, как биомаркеры были захвачены, они обнаруживаются таким же образом - с помощью флуоресценции, чтобы указать на их присутствие и количество.
ISF является богатым источником биомолекул, плотно упакованных всем, от нейротрансмиттеров до клеточных отходов. Однако для анализа биомаркеров ИСФ обычным методом обычно требуется выделение ИСФ из кожи. Этот метод сложен, и обычно количества ИСФ, которое можно получить, недостаточно для анализа. Это было серьезным препятствием для разработки технологии биосенсоров на основе микроигл.
Другой метод включает в себя прямой захват биомаркера в ИСФ без выделения ИСФ. Подобно тому, как прийти на переполненный концерт и попытаться пробиться вперед, биомаркер должен маневрировать через переполненный, динамичный бульон ИСФ, прежде чем достичь микроиглы в ткани кожи. В таких условиях получить достаточное количество биомаркера, чтобы увидеть его с помощью традиционного анализа, непросто.
Но у команды есть своего рода секретное оружие: "плазмонный флюор", сверхяркая флуоресцентная нанометка. По сравнению с традиционными флуоресцентными метками, когда анализ проводился на пластыре с микроиглами с использованием плазмонического флюора, сигнал биомаркеров целевого белка светился примерно в 1400 раз ярче и становился обнаруживаемым, даже когда они присутствовали в низких концентрациях.
«Ранее концентрация биомаркера должна была составлять порядка нескольких микрограммов на миллилитр жидкости», - говорит Чжэю (Райан) Ван, аспирант лаборатории Сингаманени и один из ведущих авторов статьи., сказал. Это далеко за пределами реального физиологического диапазона. Но с помощью плазмонного флюора исследовательская группа смогла обнаружить биомаркеры порядка пикограммов на миллилитр.
"Это на порядки более чувствительно," сказал Райан.
Эти пластыри обладают множеством качеств, которые могут оказать реальное влияние на медицину, уход за пациентами и исследования.
Они позволят поставщикам медицинских услуг отслеживать биомаркеры с течением времени, что особенно важно, когда речь идет о понимании того, как иммунитет влияет на новые заболевания.
Например, исследователи, работающие над вакцинами против COVID-19, должны знать, вырабатывают ли люди нужные антитела и как долго. «Давайте наденем пластырь, - сказал Сингаманени, - и посмотрим, есть ли у человека антитела против COVID-19 и на каком уровне».
Или, в экстренных случаях: «Когда кто-то жалуется на боль в груди и его везут в больницу на машине скорой помощи, мы надеемся, что пластырь можно будет приклеить прямо сейчас», - Цзинъи Луан, - сказал студент, недавно окончивший лабораторию Сингаманени и один из ведущих авторов статьи. Вместо того, чтобы ехать в больницу и сдавать кровь, врачи скорой помощи могут использовать пластырь с микроиглами для тестирования на тропонин, биомаркер, указывающий на инфаркт миокарда.
Для людей с хроническими заболеваниями, которые требуют регулярного наблюдения, пластыри с микроиглами могут избавить от ненужных поездок в больницу, сэкономив деньги, время и дискомфорт - много дискомфорта.
Пластыри практически безболезненны. «Они проникают в ткани кожи примерно на 400 микрон», - сказал Сингаманени. «Они даже не касаются сенсорных нервов».
В лаборатории использование этой технологии может ограничить количество животных, необходимых для исследований. Иногда исследования требуют множества последовательных измерений, чтобы зафиксировать приливы и отливы биомаркеров, например, для мониторинга прогрессирования сепсиса. Иногда это означает множество мелких животных.
«Мы могли бы значительно сократить количество животных, необходимых для таких исследований», - сказал Сингаманени.
Последствия обширны, и лаборатория Сингаманени хочет убедиться, что они все изучены.
Предстоит проделать большую работу, сказал он: «Мы должны определить клинические пороговые значения», то есть диапазон биомаркеров в ИСЖ, который соответствует норме по сравнению с нормой.аномальный уровень. «Мы должны определить, какие уровни биомаркеров являются нормальными, а какие патологическими». А его исследовательская группа работает над методами доставки на большие расстояния и в суровых условиях, предоставляя возможности для улучшения здравоохранения в сельской местности.
«Но нам не нужно делать все это самим», - сказал Сингаманени. Вместо этого технология будет доступна специалистам в разных областях медицины.
"Мы создали технологию платформы, которую может использовать каждый", - сказал он. «И они могут использовать его, чтобы найти свой собственный биомаркер, представляющий интерес».
Мы не должны делать все это сами
Сингаманени и Эрика Л. Шеллер, доцент кафедры медицины костно-минеральных заболеваний Школы медицины, совместно исследовали концентрацию биомаркеров в местных тканях.
Существующие подходы к такой оценке требуют изоляции местных тканей и не позволяют проводить последовательный и непрерывный осмотр. Сингаманени и Шеллер разрабатывают более совершенную платформу для долгосрочного мониторинга концентрации локальных биомаркеров.
Работаем вместе
Срикант Сингаманени, профессор кафедры машиностроения и материаловедения Лилиан Э. Лайл Хьюз, и Джай С. Рудра, доцент кафедры биомедицинской инженерии, работали вместе, чтобы изучить кокаиновые вакцины, которые работают блокируя способность кокаина проникать в мозг.
Существующие кандидаты на такую вакцину не дают долгосрочных результатов; они требуют частого повышения. Сингаманени и Рудра хотели найти лучший способ определить, когда действие вакцины ослабевает. «Мы показали, что можем использовать пластыри, чтобы понять, вырабатывает ли человек все еще необходимые антитела», - сказал Сингаманени. «Кровь брать не нужно».