(PhysOrg.com) -- Mikrosvampar som härrör från tång kan hjälpa till att diagnostisera hjärtsjukdomar, cancer, HIV och andra sjukdomar snabbt och till mycket lägre kostnad än nuvarande kliniska metoder. Mikrosvamparna är en viktig komponent i Rice Universitys programmerbara bio-nano-chip (PBNC) och fokus för en ny artikel i tidskriften Små .

Tidningen av John McDevitt, Brown-Wiess professor i bioteknik och kemi, och hans kollegor vid Rices BioScience Research Collaborative ser på PBNC:s inre funktioner, som McDevitt föreställer sig som ett vanligt medicinskt diagnostiskt verktyg.

PBNC för att diagnostisera en mängd olika sjukdomar är för närvarande i fokus för sex kliniska prövningar på människor. McDevitt kommer att diskutera deras utveckling vid det årliga mötet för American Association for the Advancement of Science (AAAS) i Washington, D.C., 17-21 februari.

PBNCs fångar biomarkörer - molekyler som erbjuder information om en persons hälsa - finns i blod, saliv och andra kroppsvätskor. Biomarkörerna är sekvestrerade i små svampar inställda i en rad inverterade pyramidformade trattar i mikroprocessorhjärtat på PBNC i kreditkortsstorlek.

När ett vätskeprov placeras i engångsanordningen, mikrofluidkanaler leder det till svamparna, som är infunderade med antikroppar som upptäcker och fångar specifika biomarkörer. När den väl fångats, de kan analyseras inom några minuter med ett sofistikerat mikroskop och dator inbyggd i en bärbar, läsare i brödroststorlek.

Biomarkörfångstprocessen är ämnet för Små papper. Mikrosvamparna är 280 mikrometers pärlor av agaros, en billig, allmänning, labvänligt material som härrör från tång och ofta används som en matris för att odla levande celler eller fånga upp proteiner.

Det fina med agaros är dess förmåga att fånga ett brett spektrum av mål från relativt stora proteinbiomarkörer till små läkemedelsmetaboliter. I labbet, agaros börjar som ett pulver, som Jell-O. När det blandas med varmt vatten, den kan formas till geler eller fasta ämnen av vilken storlek som helst. Storleken på porerna och kanalerna i agaros kan justeras ner till nanoskala.

Utmaningen, McDevitt sa, definierade ett nytt koncept för att snabbt och effektivt fånga och detektera biomarkörer i en mikrofluidisk krets. Lösningen som utvecklats på Rice är ett nätverk av mikrosvampar med skräddarsydda porstorlekar och nanonät av agarosfibrer. Den svampliknande kvaliteten gör att mycket vätska kan bearbetas snabbt, medan nanonätet ger en enorm yta som kan användas för att generera optiska signaler 1, 000 gånger större än konventionella enheter i kylskåpsstorlek. Minisensorensemblerna, han sa, packa maximal kraft.

Teamet fann att agarospärlor med en diameter på cirka 280 mikrometer är idealiska för verkliga tillämpningar och kan massproduceras på ett kostnadseffektivt sätt. Dessa agarospärlor behåller sin effektivitet när det gäller att fånga biomarkörer, är lätta att hantera och kräver ingen specialoptik för att se.

McDevitt och hans kollegor testade pärlor med porer upp till 620 nanometer och ner till 45 nanometer breda. (Ett pappersark är cirka 100, 000 nanometer tjock.) Porer nära 140 nanometer visade sig vara bäst på att låta proteiner infundera pärlornas inre nanonät snabbt, en egenskap som gör att PBNC:er kan testa för sjukdom på mindre än 15 minuter.

Teamet rapporterade om experiment med två biomarkörer, karcinoembryonala antigener och interleukin-1 betaproteiner (och matchande antikroppar för båda), köpt av labbet. Efter blötläggning av pärlorna i antikroppslösningarna, forskarna testade deras förmåga att känna igen och fånga deras matchande biomarkörer. I bästa fall, de visade nästan total effektivitet (99,5 procent) vid detektion av pärlbundna biomarkörer.

McDevitt har förväntat sig ett tag att en tredimensionell pärla hade större potential att fånga och hålla biomarkörer än standarden för sådana tester, tekniken enzymkopplad immunosorbentanalys (ELISA). ELISA analyserar vätskor placerade i en uppsättning 6,5-millimeters brunnar som har ett lager av biomarkörinfångningsmaterial utspridda i botten. För att få resultat genom ELISA krävs ett labb fullt med utrustning, han sa.

"Mängden optisk signal du får beror vanligtvis på tjockleken på ett prov, " sa McDevitt. "Vatten, till exempel, ser klart ut i ett litet glas, men är blå i ett hav eller en sjö. De flesta moderna kliniska apparater läser signaler från prover på plana eller krökta ytor, vilket är som att försöka se den blå färgen på vatten i ett glas. Det är väldigt svårt."

Som jämförelse, PBNC ger forskarna en ocean av information. "Vi skapar en mikrosvamp med mycket hög yta som samlar en stor mängd material, " sa han. "Svampen är som en manet med tentakler som fångar biomarkörerna."

Agarospärlan är konstruerad för att bli osynlig i vatten. "Det gör det till en idealisk miljö för att fånga biomarkörer, eftersom matrisen inte står i vägen för att visualisera innehållet. Detta är en trevlig användning av nya biomaterial som är billiga som smuts, ger ändå kraftfull prestanda, " sa McDevitt.

Enligt tidigare studier, bara en bråkdel - mindre än 10 procent - av fångstantikroppar i ELISA -matriserna "guldstandard" är fortfarande aktiva när ett test börjar. Som jämförelse, nästan alla antikroppar i agarospärlorna behåller sin förmåga att upptäcka och fånga biomarkörer, sa McDevitt.

I sista hand, han sa, PBNC kommer att möjliggöra snabba, kostnadseffektiva diagnostiska tester för patienter som är sjuka, oavsett om de är på akuten, i ambulans eller till och med när de behandlas i sina egna hem. Ännu bättre, chipsen kan en dag möjliggöra snabb och enkel testning av friska för att leta efter tidiga varningstecken på sjukdom.