Svårigheten att upptäcka små mängder av sjukdomar som cirkulerar i blodomloppet har visat sig vara en stötesten vid upptäckt och behandling av cancerformer som avancerar smygande med få symtom. Med en ny elektrokemisk bioavkänningsanordning som identifierar de minsta signalerna dessa biomarkörer avger, ett par NJIT-uppfinnare hoppas kunna överbrygga detta gap.

Deras arbete med att upptäcka sjukdomar är en illustration av kraften hos elektrisk avkänning – och ingenjörernas växande roll – i medicinsk forskning.

"Helst, det skulle finnas en enkel, billigt test – utfört vid ett regelbundet patientbesök i frånvaro av specifika symtom – för att undersöka några av de mer tysta, dödliga cancerformer, " säger Bharath Babu Nunna, en färsk doktorsexamen. examen som arbetade med Eon Soo Lee, en biträdande professor i maskinteknik, att utveckla ett biochip förstärkt med nanoteknik för att upptäcka cancer, malaria och virussjukdomar som lunginflammation tidigt i utvecklingen med ett blodprov med nålstick.

Deras enhet inkluderar en mikrofluidisk kanal genom vilken en liten mängd uttaget blod rinner förbi en avkänningsplattform belagd med biologiska medel som binder till målinriktade biomarkörer för sjukdom i kroppsvätskor som blod, tårar och urin – vilket utlöser en elektrisk nanokrets som signalerar deras närvaro.

I forskning som nyligen publicerats i Nano täckning , Nunna och hans medförfattare demonstrerade användningen av guldnanopartiklar för att förbättra sensorsignalsvaret från deras enhet vid cancerdetektering, bland andra fynd.

En av enhetens kärninnovationer är förmågan att separera blodplasma från helblod i dess mikrofluidkanaler. Blodplasma bär på sjukdomens biomarkörer och det är därför nödvändigt att separera det för att förbättra "signal-brusförhållandet" för att uppnå ett mycket exakt test. Den fristående enheten analyserar ett blodprov inom två minuter utan behov av extern utrustning.

"Vårt tillvägagångssätt upptäcker riktade sjukdomsbiomolekyler i femto-skalakoncentrationen, som är mindre än nano- och till och med pico-skala, och är besläktad med att söka efter en planet i en galaxhop. Nuvarande avkänningsteknik är begränsad till koncentrationer som är tusen gånger större. Genom att använda en plattform i nanoskala kan vi identifiera dessa lägre nivåer av sjukdomar, Nunna säger, lägga till, "Och genom att separera plasman från blodet, vi kan koncentrera sjukdomsbiomarkörerna."

I en annan ny tidning i BioNanoScience , Nunna, Lee och deras medförfattare detaljerade sina resultat om variationer i känslighet baserat på mikrofluidflöde.

Nunna är nu postdoktor vid Harvard Medical School, där han utökar sin expertis inom mikrofluidiska plattformar, använder dem i organ-on-the-chip-forskning utförd med Su Ryon Shin, en huvudutredare och instruktör vid medicinskolans institution för medicin som utvecklar 3-D-bioprintade organoider – konstgjorda organ som består av odlade celler i strukturerade hydrogeler – för medicinska experiment.

"Jag är primärt ansvarig för att utveckla de mikrofluidiska enheterna som kommer att automatisera processen att bioprinta 3D-organ som kommer att inkorporeras på ett chip för ett antal ändamål. Jag har i uppdrag att till exempel, med att utveckla en automatiserad plattform för långsiktig läkemedelseffektivitet och toxicitetsanalys för att spåra levercancer och hjärtbiomarkörer. Jag kommer att integrera den mikrofluidiska biosensorn med levercancer- och hjärt-på-ett-chip-modellen för kontinuerlig övervakning, " han säger.

Genom att mäta biomarkörkoncentrationerna som utsöndras från läkemedelsinjicerade 3-D-bioprintade organ, vi kan studera läkemedelseffekter på flera organ utan att skada en levande patient. Genom att skapa konstgjorda organ kan vi experimentera fritt."

Nerför gatan, han lägger till, arbetet vid Harvard skulle potentiellt kunna tillämpas inom regenerativ medicin. "Målet är att utveckla fullt fungerande 3-D-bioprintade organoider och kliniskt relevanta 3D-vävnader för att lösa problemet med donatorbrist vid transplantation."

Nunna säger att hans forskning vid Harvard Medical School kommer att utöka hans kunskap om programmerbar mikrofluidik och exakta elektrokemiska avkänningstekniker, vilket i sin tur kommer att hjälpa honom att utveckla sin biochipteknologi. Målet är en enkel, standardanalys för cancerdiagnos som undviker konventionella, komplexa diagnostiska steg.

Lee och Nunna har arbetat med onkologer vid Weill Cornell Medicine och Hackensack Medical Center för att identifiera kliniska tillämpningar. Som för närvarande utformad, enheten skulle ge både kvalitativa och kvantitativa resultat av cancerantigener i blodprover, ge information om förekomsten och svårighetsgraden av cancern. Deras nästa steg, han säger, kommer att vara att utöka plattformen för att upptäcka flera sjukdomar med ett enda blodprov som erhålls med ett nålstick.

"Även om sjukvårdsteknik anses vara en teknik i snabb utveckling, det finns fortfarande många otillfredsställda behov som måste åtgärdas. Att diagnostisera potentiellt dödliga sjukdomar i tidiga skeden är nyckeln till att rädda liv och förbättra patientbehandlingsresultaten, " han säger, lägga till, "Det finns ett stort behov av sjukvårdsteknik, inklusive en universell diagnostisk plattform som kan ge omedelbara resultat på läkarmottagningen och andra vårdplatser."

Nunna är medgrundare och chefsforskare för Abonics, Inc., en startup bildad av Lee för att kommersialisera sin enhet. Han är utnämnd som en meduppfinnare med Lee på tre publicerade biochippatent och sex ytterligare patent som nu granskas av U.S. Patent and Trademark Office. Deras teknik har vunnit ekonomiskt stöd från National Science Foundation I-Corps-programmet och New Jersey Health Foundation (NJHF), ett icke-vinstdrivande företag som stöder biomedicinsk forskning och hälsorelaterade utbildningsprogram i New Jersey.

"Som vi vet, tidig upptäckt kan förbättra behandlingsresultaten för patienter avsevärt, " förklarade George F. Heinrich, M.D., vice ordförande och VD för NJHF, vid tillkännagivandet av priset. "För närvarande, läkare förlitar sig på diagnostiska apparater som kräver minst fyra timmars provberedning genom centraliserade diagnostiska centra snarare än sina lokala kontor."

Under 2017, Nunna fick "Best Design in Healthcare Innovations and Point-of-Care Innovations Award" på Healthcare Innovation and Point-of-Care Technologies-konferensen från Engineering in Medicine and Biology Society, hölls vid National Institute of Healths huvudkontor i Bethesda, MD. Samma år, tekniken fick det nationella innovationspriset på TechConnect World Innovation Conference and Expo, en årlig sammankomst av tekniköverföringskontor, företag, och värdepappersföretag som träffas för att identifiera lovande teknologier från hela världen.