Forskare vid MIT:s Little Devices Lab har utvecklat en uppsättning modulära block som kan sättas ihop på olika sätt för att producera diagnostiska enheter. Dessa "plug-and-play"-enheter, som kräver lite expertis för att montera, kan testa blodsockernivåer hos diabetespatienter eller upptäcka virusinfektion, bland andra funktioner.

"Vår långsiktiga motivation är att möjliggöra små, laboratorier med låga resurser för att skapa sina egna bibliotek med plug-and-play-diagnostik för att behandla sin lokala patientpopulation oberoende, säger Anna Young, meddirektör för MIT:s Little Devices Lab, lektor vid Institutet för medicinsk teknik och vetenskap, och en av tidningens huvudförfattare.

Genom att använda detta system, kallade Ampli-block, MIT-teamet arbetar på enheter för att upptäcka cancer, samt Zika-virus och andra infektionssjukdomar. Blocken är billiga, kostar cirka 6 cent för fyra block, och de kräver inte kylning eller speciell hantering, vilket gör dem tilltalande för användning i utvecklingsländerna.

"Vi ser dessa byggsatser som ett sätt att sänka barriärerna för tillverkning av medicinsk teknik, " säger Jose Gomez-Marquez, co-director för Little Devices Lab och senior författare av tidningen.

Elizabeth Phillips '13, en doktorand vid Purdue University, är också huvudförfattare till tidningen, som står i journalen Avancerat vårdmaterial den 16 maj. Andra författare inkluderar Kimberly Hamad-Schifferli, en docent i teknik vid University of Massachusetts i Boston och en gästforskare vid MIT:s avdelning för maskinteknik; Nikolas Albarran, en senior ingenjör i Little Devices Lab; Jonah Butler, en MIT junior; och Kaira Lujan, en tidigare gäststudent i Little Devices Lab.

Skräddarsydd diagnostik

Under det senaste decenniet, många forskare har arbetat med små, bärbara diagnostiska enheter baserade på kemiska reaktioner som uppstår på pappersremsor. Många av dessa tester använder sig av sidoflödesteknik, vilket är samma tillvägagångssätt som används i graviditetstest hemma.

Trots dessa ansträngningar, sådana tester har inte spridits i stor omfattning. Ett hinder, säger Gomez-Marquez, är att många av dessa enheter inte är utformade med storskalig tillverkning i åtanke. En annan är att företag kanske inte är intresserade av att massproducera en diagnostik för en sjukdom som inte drabbar ett stort antal människor.

Forskarna i Little Devices Lab insåg att de kunde få denna diagnostik i händerna på många fler människor om de skapade ett kit med modulära komponenter som kan sättas ihop för att generera exakt vad användaren behöver. För detta ändamål, de har skapat ett 40-tal olika byggstenar som labbarbetare runt om i världen enkelt kan montera på egen hand, precis som folk började sätta ihop sina egna radioapparater och andra elektroniska enheter från kommersiellt tillgängliga elektroniska "breadboards" på 1970-talet.

"När den elektroniska brödtavlan kom ut, det innebar att folk inte behövde oroa sig för att bygga sina egna motstånd eller kondensatorer. De kunde oroa sig för vad de egentligen ville använda elektronik till, som ska göra hela kretsen, " säger Gomez-Marquez.

I detta fall, komponenterna består av ett pappersark eller glasfiber inklämt mellan ett plast- eller metallblock och ett glasskydd. Blocken, som är ungefär en halv tum på varje kant, kan knäppas ihop längs vilken kant som helst. Vissa av blocken innehåller kanaler för prover att flöda rakt igenom, några har tur, och vissa kan ta emot ett prov från en pipett eller blanda flera reagenser tillsammans.

Blocken kan också utföra olika biokemiska funktioner. Många innehåller antikroppar som kan detektera en specifik molekyl i ett blod- eller urinprov. Dessa antikroppar är fästa till nanopartiklar som ändrar färg när målmolekylen är närvarande, indikerar ett positivt resultat.

Dessa block kan justeras på olika sätt, låter användaren skapa diagnostik baserad på en reaktion eller en serie reaktioner. I ett exempel, forskarna kombinerade block som upptäcker tre olika molekyler för att skapa ett test för isonicotinsyra, som kan avslöja om tuberkulospatienter tar sin medicin.

Blocken är färgkodade efter funktion, vilket gör det lättare att montera fördesignade enheter med hjälp av instruktioner som forskarna planerar att lägga ut online. De hoppas också att användare ska utveckla och bidra med sina egna specifikationer till onlineguiden.

Bättre prestanda

Forskarna visade också att på vissa sätt, dessa block kan överträffa tidigare versioner av pappersdiagnostikenheter. Till exempel, de fann att de kunde köra ett prov fram och tillbaka över en testremsa flera gånger, förstärker signalen. Detta kan göra det lättare att få tillförlitliga resultat från urin- och salivprover, som vanligtvis är mer utspädda än blodprover, men är lättare att få från patienter.

"Det här är saker som inte kan göras med vanliga sidoflödestester, eftersom de inte är modulära – du får bara köra dem en gång, säger Hamad-Schifferli.

Teamet arbetar nu med tester för humant papillomvirus, malaria, och borrelia, bland andra. De arbetar också med block som kan syntetisera användbara föreningar, inklusive droger, samt block som innehåller elektriska komponenter såsom lysdioder.

Det slutliga målet är att få tekniken i händerna på små laboratorier i både industrialiserade länder och utvecklingsländer, så att de kan skapa sin egen diagnostik. MIT-teamet har redan skickat dem till laboratorier i Chile och Nicaragua, där de har använts för att utveckla apparater för att övervaka patientens följsamhet till TB-behandling och för att testa för en genetisk variant som gör malaria svårare att behandla.

Catherine Klapperich, biträdande dekanus för forskning och docent i biomedicinsk teknik vid Boston University, säger att MIT-teamets arbete kommer att bidra till att göra den diagnostiska designprocessen mer inkluderande.

"Genom att minska hindren för att designa nya vårdpunkter för pappersfluidics, arbetet bjuder in icke-experter och kommer säkerligen att resultera i nya idéer och samarbeten i miljöer över hela världen, säger Klapperich, som inte var involverad i forskningen. "De praktiska demonstrationerna av systemet som presenteras här är redo att vara omedelbart användbara, medan möjligheterna för andra att bygga vidare på verktyget är stora."

Forskarna undersöker nu storskaliga tillverkningstekniker, och de hoppas kunna starta ett företag för att tillverka och distribuera kiten runt om i världen.

"Vi är glada över att öppna plattformen för andra forskare så att de kan använda blocken och generera sina egna reaktioner, säger Young.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.