Forskare från Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) har utvecklat ett lab-on-a-chip-system som kan identifiera hälsoaspekterna av en persons immunsystem från en droppe av deras blod, inom några minuter.

Genom att använda en kombination av mikrofluidik – små mikroskopiska kanaler som kan isolera vita blodkroppar från blod – och elektriska sensorer, det nya chippet kunde upptäcka skillnader i de elektriska egenskaperna hos vita blodkroppar från friska och diabetespatienter.

Proof of concept-enheten kan en dag hjälpa läkare att snabbt få insikt i en persons immunförsvar, och upptäcka tidiga tecken på inflammation och infektion som kan signalera behovet av ytterligare djupgående tester.

Designad och byggd av biträdande professor Hou Han Wei och biträdande professor Holden Li från School of Mechanical and Aerospace Engineering, deras uppfinning, om framgångsrika i ytterligare laboratorie- och kliniska bedömningar, skulle kunna förvandlas till en bärbar enhet lämplig för familjekliniker och polikliniker.

En prototypenhet och de tekniska principerna bakom den rapporterades i två peer-reviewed tidskrifter:Lab on a Chip tidigare i år och Biosensorer och bioelektronik i oktober förra året.

Eftersom immunhälsa ofta är inblandad i hjärt-kärlsjukdomar, forskarna säger att deras enhet potentiellt kan vara ett extra screeningverktyg för läkare att använda för tidig upptäckt av hjärtsjukdomar. I Singapore, hjärt-kärlsjukdomar stod för 30,1 procent av alla dödsfall 2017 medan diabetes är ett allvarligt hälsoproblem som drabbar cirka 10 procent av världens befolkning.

Hur uppfinningen fungerar

Asst Prof Hou, som också är fakultetsmedlem vid Lee Kong Chian School of Medicineat NTU, sa att deras chip upptäcker elektriska skillnader mellan en frisk vit blodkropp och en ohälsosam. Onormala vita blodkroppar har rapporterats som en tidig biomarkör för ökad risk för hjärt-kärlsjukdomar och tyder också på en pågående inflammation.

Använder mycket små kanaler, chipet separerar först fysiskt de olika blodkropparna efter storlek till de olika utloppen, som en myntsorteringsmaskin. De isolerade vita blodkropparna körs sedan genom en speciell kanal där den elektriska impedansen mäts för varje cell med mycket hög hastighet (hundratals celler per sekund).

Den elektriska impedansen för en onormal cell är vanligtvis högre än impedansen för en frisk cell, ges som onormal cell är större i storlek och har olika membranegenskaper.

Vita blodkroppar utgör en betydande del av kroppens immunförsvar och en nyckeltyp som kallas neutrofiler, är den första försvarslinjen när infektion eller inflammation slår till.

"Våra chips kan isolera tusentals vita blodkroppar från en enda droppe blod och, inom några minuter, berätta om dessa celler är elektriskt olika från normala, som skulle vara en indikator på om det finns en hälsofråga som ska utredas ytterligare, ", sa Asst Prof Hou.

"Mer viktigt, vår process använder inte heller några kemiska biomarkörer eller antikroppar, vilket gör analysen billig, lätt att använda, och att vi kan göra ytterligare analyser på samma vita blodkroppar som vi redan har kört genom chipet."

Möjlig användning i kliniska tester

Asst Prof Holden Li säger att materialet som används för att göra det nya lab-on-a-chipet är en vanlig polymer av medicinsk kvalitet och är lätt att tillverka med hjälp av befintliga maskiner, och kan göras till en stationär maskin för användning på kliniker.

"Vårt chip är designat för enkel uppskalning av företag, med ett integrerat system byggt av elektroniska komponenter som finns på marknaden. Går vidare, vi vill kommersialisera tekniken med en industripartner, eftersom vi ser att det finns efterfrågan på marknaden – för en punkt-of-care-enhet för läkare och som laboratorieutrustning för studier av neutrofiler och läkemedelsscreening, " sa Prof Li.

Forskarna tillade att de också forskar mer på de olika elektriska impedansnivåerna och vad var och en av dem betyder, för att bygga ett slags referensbibliotek för automatiserad analys, och kommer att arbeta med läkare för att testa sin prototyp i den kliniska miljön.

Att ge en oberoende åsikt om forskningen, Professor Bernhard Böhm, Ong Tiong Tat ordförande professor i diabetesforskning vid NTU:s Lee Kong Chian School of Medicine, nämnda många diabetespatienter är också mottagliga för kroniska infektioner på grund av sjukdom som påverkar immunsystemets prestanda.

"Det finns ett antal begränsningar för att använda konventionella diagnostiska markörer för patienter med klinisk misstanke om infektion. I synnerhet finns det ett behov av att förbättra tidig diagnos av bakteriella infektioner och att ge vägledning för antibiotikabehandling."

"Därför, ett testsystem som snabbt kan vägleda beslut om initiering av specifika terapier skulle vara till stor hjälp i en klinisk miljö. Dock, detta kommer inom en snar framtid att behöva randomiserade kontrollerade kliniska prövningar för att ge formellt bevis på att det nya testsystemet är överlägset de för närvarande använda konventionella diagnostiska procedurerna, " tillade prof Böhm, som inte ingick i denna studie.

Verktyg för att studera immunförsvarsmekanismer

Den nya enheten kan också vara mycket användbar för studier av NETosis, en nyupptäckt försvarsmekanism inom området immunologi.

Under NETosis, neutrofiler spottar ut DNA-strängar som fångar bakterier och virus, ungefär som ett spindelnät, att hindra deras rörelser och att döda de fångade patogenerna. Dock, för mycket NETosis bromsar också sårläkning vid diabetes.

NETosis expert, biträdande professor Christine Wong, från NTU:s Lee Kong Chian School of Medicine som inte var involverad i denna studie, säger att den mest använda metoden för att studera NETosis-benägenhet för närvarande är realtidsavbildning eller mikroskopi av fixerade neutrofiler.

Dock, det är en mödosam process för forskare att isolera neutrofilerna för mikroskopi utan att påverka deras ursprungliga baslinjetillstånd, och inte påverka experimentella resultat.

"Den nya enheten av Asst Prof Hou och Asst Prof Li kan möjliggöra snabba och opartiska NETosis-experiment och kvantifiering, vilket kommer att vara särskilt användbart för läkemedelsscreening ex vivo, ", sa Asst Prof Wong i sin oberoende kommentar.

"Om enheten kan modifieras för att mäta NETosis i musneutrofiler, detta skulle vara glädjande nyheter för forskare som använder musmodeller, eftersom lågt neutrofilutbyte är ett vanligt hinder i musneutrofilisolering på grund av den mindre blodvolymen som finns tillgänglig hos möss och deras lägre myeloida cellförhållande jämfört med människor."

Asst Prof Wong tillade att även om den nya enheten sannolikt inte kommer att ersätta mikroskopiexperiment, i synnerhet när visualisering av cellulära komponenter under NETosis-processen är föremålet, resurserna som sparas från NET-kvantifiering kan avledas till dessa undersökningar.