Forskare från Critical Analytics for Manufacturing Personalized-Medicine (CAMP) har utvecklat en ny etikettfri immunprofileringsanalys som profilerar värdens snabbt föränderliga immunsvar vid infektion, i ett avsteg från befintliga metoder som fokuserar på att upptäcka själva patogenerna, som ofta kan vara på låga nivåer inom en värd. Denna nya teknologi ger en mängd fördelar jämfört med nuvarande metoder, är både mycket snabbare, mer känslig och exakt.

Den nya analysen beskrivs i en artikel med titeln, "Etikettfria biofysiska markörer från mikrofluidisk immunprofilering av helblod avslöjar allvarliga immunsvarssignaturer, " publicerades nyligen i Små , en veckovis peer-reviewed vetenskaplig tidskrift som täcker nanoteknik, och inkluderade en pilotstudie av 85 givare som rekryterats från akutmottagningen för National University Hospital (NUH). Tidningen leddes av Dr Kerwin Kwek Zeming, senior postdoktor vid SMART CAMP, och medförfattare av professor Jongyoon Han, Huvudutredare vid SMART CAMP och professor i biologisk teknik och elektroteknik vid MIT, och Dr Win Sen Kuan, Forskningschef, Akutmedicinska avdelningen, NUH.

I många fall, den främsta boven bakom sjukdomsmanifestationen, infektionens svårighetsgrad, och patientdödlighet är ett alltför aggressivt värdimmunsvar. Till exempel, Spanska sjukan 1918 resulterade i ett oproportionerligt stort antal dödsfall bland annars friska unga vuxna. Detta har tillskrivits det nu väl studerade fenomenet cytokinstormar, som utlöser den snabba frisättningen av immunceller och inflammatoriska molekyler och orsakas av ett hyperaggressivt värdimmunsvar. I ett senare exempel, fall av allvarlig covid-19-infektion leder ofta till dödsfall via sepsis och ett dysregulerat immunsvar, medan nuvarande riskstratifieringsmetoder baserade på ålder och komorbiditet förblir en betydande utmaning och kan vara felaktiga. Dessutom, nuvarande covid-19-testning förutsäger inte hur allvarlig immunförsvaret är och kan därför leda till ineffektivt utnyttjande av resurser i vårdmiljöer.

Vid akut infektion, statusen för en patients immunsvar kan ofta vara flyktig och kan förändras inom några minuter. Därav, det finns ett stort behov av analyser som snabbt och exakt kan informera om immunsystemets tillstånd. Detta är särskilt viktigt vid tidig triage bland patienter med akut infektion och förutsägelse av efterföljande försämring av sjukdomen. I tur och ordning, detta kommer att ge medicinsk personal bättre möjlighet att göra mer exakta initiala bedömningar och ge lämplig medicinsk respons. Detta kan säkerställa snabb intervention på akutmottagningen (ED) och förhindra intagning på intensivvårdsavdelningen (ICU).

Den nya analysen som utvecklats av SMART-forskare fokuserar på att profilera den snabbt föränderliga värdinflammatoriska responsen, som i ett hyperaggressivt tillstånd, kan leda till sepsis och död. En 15-minuters märkningsfri immunprofileringsanalys från 20 µL obearbetat blod med okonventionella L- och omvänd-L-formade pelare av DLD-mikrofluidisk teknologi utvecklades, fungerar som en känslig och kvantitativ analys av immuncellers biofysiska signaturer i förhållande till aktiveringsnivåer av WBC i realtid. Eftersom WBC aktiveras av olika interna eller externa triggers, analysen kan känsligt mäta både omfattningen och riktningen av dessa förändringar, vilket i sin tur återspeglar en patients nuvarande immunsvarstillstånd. Som sådan, den nya analysen utvecklad av SMART-forskare kan noggrant och snabbt bedöma patienternas immunsvarstillstånd genom att profilera immuncellstorlek, deformerbarhet, distribution, och cellantal.

Betydligt nog, den nya analysen ger avsevärda fördelar jämfört med befintliga metoder för att profilera immunsystemet och dess aktivitet. Dessa inkluderar mätning av leukocytgenexpression, biokemiska markörer på cellytan, och blodserumcytokinprofil. I synnerhet, dessa nuvarande metoder kräver provspädning eller förbearbetningssteg, samt arbetsintensiva, dyr utrustning och antikroppsmärkningsförfaranden. Som ett resultat, dessa metoder kräver vanligtvis några timmar, åtminstone, för att returnera resultat. Detta är en viktig smärtpunkt och nackdel i triage och akutmottagningen, där läkare måste göra korrekta kliniska bedömningar så tidigt som möjligt. Den arbets- och tidsintensiva karaktären hos dessa nuvarande metoder begränsar avsevärt deras kliniska användbarhet för snabb triage och förhindrar deras bredare implementering inom akuten eller ICU.

I kontrast, eftersom den här nya SMART-analysen bara tar 15 minuter, använder endast 20 µL helblod, och kräver bara bildhastigheter för videoinspelning på upp till 150 fps, Det finns en betydande potential för att tekniken ska utvecklas till en bärbar enhet som kan utföra blodsparande tester på vårdplatsen, vilket avsevärt skulle kunna förbättra diagnosen och differentieringen av patienter på akuten och andra primärvårdsmiljöer. Denna applikation kommer att göra det möjligt för läkare att snabbt kunna identifiera riskpatienter och vidta omedelbara åtgärder för att mildra eller förhindra organdysfunktion och andra negativa effekter av ett hyperaggressivt immunsvar.

Huvudförfattaren Dr Kerwin Kwek sa, "Vår nya DLD-analys kommer att hjälpa till att tillgodose ett otillfredsställt behov på akuten och intensivvården genom att avsevärt minska väntetiden för korrekta patientanalysresultat. Detta kan leda till effektivare triagebeslut och mer lämplig och snabb behandling, som är avgörande för att rädda liv. Mer allmänt, denna banbrytande teknologi ger nya insikter i både konstruktionen av precisionsmikrofluidik och klinisk forskning."

Professor Jongyoon Han tillade, "I kölvattnet av lärdomar från akutmottagningar på sjukhus över hela världen, särskilt under covid-19-pandemin, där sjukvårdspersonal har ställts inför svåra och ibland liv eller död beslut i triage, denna nya teknik representerar ett enormt spännande och betydelsefullt genombrott. Genom att minska tiden det tar för analysresultat från timmar till några minuter, SMART CAMPs nya analys kan hjälpa till att rädda liv när vi fortsätter att bekämpa plågan av patogener och infektionssjukdomar. Analysen kommer också att ha bredare tillämpningar, ge kliniker ett nytt och mer effektivt verktyg på akuten och intensivvården."