En av gränserna för medicinsk diagnostik är kapplöpningen för mer känsliga blodprover. Förmågan att upptäcka extremt sällsynta proteiner kan göra en livräddande skillnad för många tillstånd, som tidig upptäckt av vissa cancerformer eller diagnos av traumatisk hjärnskada, där de relevanta biomarkörerna endast förekommer i försvinnande små mängder.

Kommersiella metoder för att detektera ultrakänsliga proteiner börjar bli tillgängliga, men de är baserade på dyr optik och vätskehanterare, vilket gör dem relativt skrymmande och dyra och begränsar deras användning till laboratoriemiljöer.

Att veta att att ha den här sortens diagnostiska system tillgängligt som en punkt-of-care-enhet skulle vara avgörande för många tillstånd, speciellt traumatisk hjärnskada, ingenjörer vid University of Pennsylvania har utvecklat ett test som använder färdiga komponenter och kan upptäcka enskilda proteiner med resultat inom några minuter, jämfört med det traditionella arbetsflödet, vilket kan ta dagar.

Med hjälp av en vanlig mobiltelefonkamera och en uppsättning lysande LED-lampor, kombinerat med deras labbs mikrofluidiska droppgeneratorer, teamet har utvecklat ett system som är tusen gånger känsligare än standardproteinanalysen, är handhållen, och betydligt billigare än de nuvarande toppmoderna singelproteintesterna som först kommer ut på marknaden.

Forskarna, ledd av David Issadore, biträdande professor vid Penn Engineerings institution för bioteknik, och doktorand Venkata R. Yelleswarapu, demonstrerade sitt system i en studie publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Standardproteindetektionsanalysen, ELISA, innebär att antikroppar fästs mot proteinerna i fråga, sedan mäta hur mycket provets färg ändras som svar på enzymer kopplade till antikropparna. Denna process är snabb och enkel nog att integreras i vårdcentraler, som hiv-tester i hemmet, men fungerar bara när proteinerna är i stora koncentrationer.

Det finns för närvarande väldigt få biomarkörer för traumatisk hjärnskada eftersom väldigt få av proteinmarkörerna för dessa skador tar sig igenom blod-hjärnbarriären. Medicinska forskare har först nyligen bekräftat att sådana markörer kan användas för ett blodprov, och med tanke på deras ultralåga koncentrationer, det testet skulle behöva vara mycket känsligare än standard-ELISA-matrisen.

"Tusen gånger känsligare, '" Issadore säger, "vi menar att om vi hade en injektionsflaska med blod med bara ett fåtal av de relevanta proteinerna, vi kan noggrant räkna dessa proteiner, medan ett traditionellt test inte på ett tillförlitligt sätt kunde se skillnaden mellan den flaskan med blod och en utan protein i sig. När du fortsätter att öka antalet proteiner, det traditionella testet kommer så småningom att kunna upptäcka dem, men vi kan kvantifiera antalet proteiner i koncentrationer tusen gånger mindre än vad de kan."

Issadores tillvägagångssätt fungerar genom att mäta ett protein i taget, genom att bryta isär provet till mikrodroppar, som var och en innehåller antingen ett enda protein eller inget alls. Hans labbs expertis inom mikrofluidik har producerat mikrochips etsade med hundratals mikrodroppgeneratorer, alla arbetar parallellt.

"I vanliga fall, du måste mäta mycket exakt hur mycket ett prov ändrar färg eller fluorescerar, men här förvandlar vi det till tiotals miljoner ja-eller-nej-frågor, " säger Issadore. "Att digitalisera den frågan minskar kostnaden för kameran och den omgivande vätskehanteringsutrustningen, men flyttar problemet till hur man bearbetar tiotals miljoner av dessa frågor, på ett sätt som är reproducerbart, exakt, billig och bärbar."

Medan en hyllkamera kan upptäcka om en mikrodroppe innehåller ett fluorescerande markörbundet protein eller inte, den stora utmaningen var att påskynda processen. Befintliga digitala droppdetektorer radar dropparna så att de kan mätas en i taget. Sådana system är korrekta, men skrymmande och dyr. De har också begränsad genomströmning, på grund av behovet av att titta på miljontals droppar en i taget.

"Tusen droppar i sekunden, genomströmningen av konventionell teknik, är fortfarande ganska långsam om du behöver mäta 50 miljoner, " säger Yelleswarapu.

Istället för att ha en enda kanal, forskarna strömmar in droppar i hundratals kanaler som passerar kameran samtidigt. Flaskhalsen, dock, är hur snabbt en kamera kan fånga data.

"Konventionellt, det skulle inte fungera eftersom exponeringstiden du skulle få från en vanlig kamera är sådan att signalerna från två droppar bredvid varandra skulle överlappa varandra, " säger Yelleswarapu. "En mobiltelefonkamera tar ungefär hundra bilder i sekunden, och det är alldeles för långsamt för att vara användbart för oss att lösa dessa droppar. Men du kan använda den kameran om ljuskällan du använder för att belysa dropparna slår tusen gånger snabbare än kamerans bildhastighet."

Knepet som fick Issadore-teamets tillvägagångssätt att fungera var att koda detta strobingljus med en signal som skulle tillåta dem att reta isär en mikrodroppe från sina grannar.

"Vi strobar ljuset i ett mycket specifikt mönster som aldrig upprepar sig, vilket är en teknik vi lånat från radar, " säger Issadore. "När signalerna går över skärmen får de den här streckkoden. Så även om de överlappar varandra, vi kan skilja dem åt genom vilken strobepuls som belyst varje droppe."

Issadores grupp har tidigare publicerat om traumatiska hjärnskademarkörer, och har ett pågående forskningsprojekt med Presbyterian Hospital med hjärnskadepatienter. De har också ett spin-off företag, Chipdiagnostik, baserad på Pennovation Center, som syftar till att producera testkit för tidig cancerdiagnostik och traumatisk hjärnskada.