När människor är i de tidiga stadierna av en odiagnostiserad sjukdom, omedelbara tester som leder till behandling är de bästa första stegen. Men en blodtagning – vanligtvis utförd av en läkare beväpnad med en obehagligt stor nål – kanske inte är snabbast, minst smärtsamma eller mest effektiva metoden, enligt ny forskning.

Nu öppnar en teknik som använder mikronålar som kan dra relativt stora mängder interstitiell vätska – en vätska som lurar precis under huden – nya möjligheter. Tidigare, mikronålar - små, ihålig, nålar av rostfritt stål – har dränerat små mängder interstitiell vätska som behövs för att analysera elektrolytnivåer men kunde inte dra tillräckligt med vätska för att göra mer komplicerade medicinska tester praktiska. Den nya metodens större drag kan vara effektivare för att snabbt mäta exponering för kemiska och biologiska krigföringsmedel samt diagnostisera cancer och andra sjukdomar, säger Sandia National Laboratories forskare och teamledare Ronen Polsky, som är huvudutredare för projektet som sponsras av Defense Threat Reduction Agency och Sandias Laboratory Directed Research and Development-program.

"Vi tror att interstitiell vätska har en enorm diagnostisk potential, men det har varit problem med att samla in tillräckliga kvantiteter för klinisk analys, " sa Polsky. "Dermal interstitiell vätska, på grund av dess viktiga reglerande funktioner i kroppen, bär faktiskt fler immunceller än blod, så det kan till och med förutsäga uppkomsten av vissa sjukdomar snabbare än andra metoder."

Polsky, tillsammans med University of New Mexico, US Army Edgewood Chemical Biological Center och andra Sandia-forskare beskrev den nya tekniken i en artikel den 22 oktober i Natur tidning Kommunikationsbiologi .

De relativt stora mängderna ren interstitiell vätska som extraheras, som aldrig tidigare har uppnåtts, göra det möjligt att skapa en databas med testbara molekyler, som proteiner, nukleotider, små molekyler och andra cell-till-cell-signalvesiklar som kallas exosomer. Deras närvaro eller frånvaro i en patients interstitiell vätska skulle då indikera, när en individs data överförs på elektronisk väg till ett framtida datacenter, om kroppsliga sjukdomar som cancer, leversjukdom eller andra problem kan vara på gång.

Det nya mikronålsextraktionsprotokollet uppnådde sina senaste resultat genom att modifiera en teknik som beskrivs i ett tekniskt dokument från 1999. Den ursprungliga tekniken drog vätska med en mikronål fäst på ett plant substrat som penetrerade huden. I den senaste ändringen, en koncentrisk ring från en horisontellt skuren insulinpenna-injektor som omgav nålen användes serendipitalt och en mycket större mängd vätska blev tillgänglig.

"Det tidigare papperet visade mindre än en mikroliter per insättning och våra nya nålar fick upp till 2 mikroliter per nål, så vi antog att skillnaden måste vara monteringen runt nålen som modulerar trycket som trycks på huden, " sa Sandia-forskaren Phillip Miller, huvudförfattaren på tidningen. "Genom att skapa uppsättningar av nålar, vår extraherbara mängd ökade från 2 mikroliter till upp till 20 mikroliter hos människor." En mikroliter är cirka 0,000034 fluid ounces.

Interstitiell vätska, den genomskinliga vätskan som omger alla mänskliga celler, upplevs oftast som vätskan som blåser upp blåsor. Det är så viktigt för transporten av biomolekyler mellan celler och som en mellanhand mellan blod och lymfsystemet att vissa forskare har hänvisat till det, som hud, som ett annat kroppsorgan.

Interstitiell vätskas fördel för patienter är att den kan sonderas med 1,5 millimeter (ungefär 0,06 tum) nålar som är för korta för att nå nerver som orsakar smärta. Det har heller inga röda blodkroppar som grumlar resultaten av testerna. Fram till denna senaste forskning, vätskan hade bara en svårighet:forskarnas oförmåga att samla tillräckligt mycket av den oförstörd av cellfragment för att utföra ett tillräckligt antal tester för fullständig karakterisering. En mikronål pressad in i huden skulle skicka upp bara den interstitiella vätskan den hade förträngt - en bråkdel av en mikroliter. Alternativt Att sätta in en liten vätskepump gav stora men skadade mängder vätska.

Forskningsavtal för miljoner dollar

Arbete under det senaste decenniet har använt nålarna i laboratoriet för att samla in små mängder - fraktioner av mikroliter - av interstitiell vätska för att upptäcka förändringar i realtid i kroppssalter som indikerar trötthet. Forskare föreställde sig en anordning i storleken armbandsur som gav omedelbara elektrolytavläsningar till idrottare och deras tränare, militär personal på fältet eller vanliga medborgare känner sig lite nere.

Den tekniken har visat sig vara av mer än teoretiskt intresse:Sandia Labs, med Polsky som ledande utredare, har just undertecknat ett samarbetsavtal för forskning och utveckling på 1 miljon dollar med ett Australien-baserat företag, Microfluidics Biomedical Pty. Ltd., att utveckla just en sådan klocka som känner av laktat och glukos i realtid. Klockan beräknas vara marknadsklar inom tre år. Polsky talade om detta koncept i ett TEDxABQ-föredrag i september 2017.

Avtalet baseras på företagets intresse av att skapa en mätenhet i realtid för sportentusiaster, soldater i fält och vanliga människor som är intresserade av att omedelbart fastställa personliga hälsoproblem. Företagets expertis inom algoritmutveckling och Sandias expertis inom mikrotillverkning av autonoma integrerade sensorer och mikronålsteknologi kommer att ansluta sig till produktens utveckling.

Olika klockdesigner kommer att testas för känslighet och selektivitet, såväl som för långvarig användning över relevanta koncentrationsintervall i en syntetisk interstitiell vätska och sedan i levande försökspersoner. Microfluidics Biomedical kommer att designa den trådlösa tekniken för att överföra signalen som genereras av sensorerna, som kan läsas av tränare, militära lagledare eller personen som äger klockan.

Detta forskningsavtal är betydelsefullt eftersom det är ett steg i att korsa vad entreprenörer kallar "dödens dal" som ofta skiljer laboratorieinnovation från realisering som en kommersiell produkt.

Men forskarsamhället som undersöker medicinsk användning av mikronålar ville undersöka större vilt, inklusive att upptäcka fruktade sjukdomar som är mer påträngande än enbart brist på elektrolyter.

Fler tester kommer att behövas för att samla in data om de interstitiella vätskekomponenterna som speglar in natura, men inte i kvantitet, många av dem som finns tillgängliga för blod. När det väl uppnåtts, scenen kommer att vara redo för enklare, billigare, snabbare, smärtfria tester som förväntas i framtiden överföras elektroniskt från en deltagares armbandsur till en central databank, att i realtid fastställa förekomsten av ett medicinskt problem och dess åtgärd i ett tidigast skede.

Det kommer att ta många år att göra en komplett databas för världens sjukdomar, sa Polsky. Så för närvarande, han och hans team startar ett nytt projekt för att titta på biomarkörer i interstitiell vätska som utvecklas efter influensavaccinationer. Insatsen kommer att använda frivilliga Sandia-anställda. "Influensavaccinationer är ett idealiskt sätt att studera patogenesen av infektionssjukdomar och denna studie kan leda till ett nytt sätt att diagnostisera influensa och karakterisera dess spridning, sa Polsky.