Forskare vid Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore), har utvecklat ett chip i myntstorlek som direkt kan isolera blodplasma från ett blodrör på bara 30 minuter, vilket är bekvämare och mer användarvänligt jämfört med den nuvarande guldstandarden , flerstegs centrifugeringsprocess.
Med namnet ExoArc kan enheten uppnå hög blodplasmrenhet genom att ta bort mer än 99,9 % av blodkropparna och blodplättarna exakt och försiktigt i bara ett steg.
Detta kommer att avsevärt påskynda klinisk analys av de cellfria DNA- och RNA-molekylerna, såväl som nanopartiklar som vanligtvis kallas extracellulära vesiklar. Dessa partiklar används ofta för att screena för biomarkörer som är kontrolltecken som är specifika för vissa cancerformer och sjukdomar.
För närvarande är det enda sättet att isolera blodplasma genom att använda en centrifug, som snurrar blodprover i höga hastigheter för att separera blodkroppar från plasma.
Men även efter två omgångar av snurrande i centrifugen kommer det fortfarande att finnas några celler och blodplättar i blodplasman som kan brytas ned eller brytas ned, vilket frigör ytterligare bioinnehåll, vilket leder till oönskade material som påverkar noggrannheten i diagnostiska tester. .
Som ett bevis på konceptet byggde teamet en bärbar prototypenhet (som mäter 30 cm x 20 cm x 30 cm) för att hysa ExoArc-chippet (3,5 cm x 2,5 cm x 0,3 cm), som har ett stort pekskärmsgränssnitt för att justera inställningar, samt interna pumpar och rörledningar för bearbetning av blodprover och uppsamling av isolerad blodplasma.
Tillsammans med kliniker-forskare från National Cancer Center Singapore (NCCS), Tan Tock Seng Hospital (TTSH) och Agency for Science, Technology and Research (A*STAR), validerade teamet kliniskt ExoArc genom att analysera mikroRNA-profilen för blodplasma hos friska människor och cancerpatienter som använde en biomarkörpanel och fann att den kunde diagnostisera icke-småcellig lungcancer med en känslighet på 90 %.
Som en innovation har ExoArc för närvarande två patentansökningar inlämnade genom NTUitive, NTU:s innovations- och företagsföretag, och dess studieresultat har nyligen publicerats i ACS Nano .
Ledande forskare för studien, NTU-docent Hou Han Wei, sa att teamet syftade till att hitta en snabbare lösning som kan ersätta centrifugen, samtidigt som den fortfarande ger högkvalitativ plasma för sjukdomsscreening och forskning.
"Det har gått nästan 160 år sedan uppfinningen av den första centrifugen och ungefär 50 år sedan moderna höghastighetscentrifuger blev ett standardverktyg i laboratorier för att förbereda blodprover. Trots dessa framsteg, separerar komplexa vätskor som blod, som består av olika celltyper. och ett varierat utbud av biologiska material, förblir en utmaning," förklarade Assoc Prof Hou, en biomedicinsk ingenjör från School of Mechanical and Aerospace Engineering och Lee Kong Chian School of Medicine (LKCMedicine).
"Genom att utnyttja unika flödesfenomen i små kanaler i ett chip som är ungefär lika stort som ett dollarmynt, kan vi nu effektivt separera små biologiska material baserat på deras storlek utan att använda något fysiskt membran eller filter. Vi har förvandlat denna banbrytande teknologi till en enhet ungefär som en liten stationär skrivare, med engångsplastchips för att förhindra korskontaminering i kliniska tester."
Medförfattare till artikeln, professor Darren Lim, senior konsult vid avdelningen för medicinsk onkologi vid NCCS och forskningschef vid SingHealth Duke-NUS Lung Center, förklarade vikten av högkvalitativ blodplasma.
"Att minska kontaminering från nedbrutna blodkroppar är avgörande för noggrannheten av diagnostiska tester. Vår studie visar att den här enheten möjliggör snabbare och mer exakta kliniska diagnoser, vilket avsevärt minskar väntetiden för testresultat, minskar patienternas oro och i slutändan förbättrar deras övergripande vård. Detta är särskilt viktigt för cancerbehandling, säger Prof Lim.
I en annan demonstration av dess breda tillämpning använde teamet ExoArc för att studera mikroRNA-molekyler från blodplasmaprover från friska individer och de med typ 2-diabetes mellitus med hjälp av kvantitativ polymeraskedjereaktion (PCR).
Från bara ett rör med blod identifierade de 293 olika mikroRNA-molekyler. Forskargruppen fann också att mikroRNA-profilen från plasma och extracellulära vesiklar från individer med typ 2-diabetes hade en annan sammansättning jämfört med friska deltagare. Detta antyder potentialen hos ExoArc för att hjälpa till att isolera och identifiera sjukdomsrelaterade biomarkörer.
Docent Rinkoo Dalan, seniorkonsult specialiserad på diabetes och endokrinologi vid Tan Tock Seng-sjukhuset, sa att de första resultaten är lovande och visar potentialen i att ExoArc kan hjälpa till att driva precisionsmedicin.
"Den här tekniken kan hjälpa läkare att bättre förutsäga och hantera komplikationer av kroniska metabola tillstånd som diabetes, genom att tillhandahålla mer exakt, aktuell och individualiserad information. Genom att detektera specifika biomarkörer exakt kan vi skräddarsy behandlingar för varje patients unika behov, vilket potentiellt kan förbättra resultaten. och förbättra kvaliteten på vården, säger professor Dalan, som också är lärare vid LKCmedicine.
Den nuvarande guldstandardmetoden för att isolera blodplasma bygger på centrifuger, som inte är idiotsäker och är starkt beroende av skickligheten hos de tekniker som manuellt extraherar plasman efter varje snurr.
Även efter två centrifugeringsomgångar, som kan ta upp till en timme, kan kvarvarande biologiska celler finnas kvar i plasman, vilket potentiellt förorenar RNA-tester och leder till felaktiga resultat.
En av de viktigaste anledningarna är att blodprover är tidskänsliga och kräver behandling inom en dag eller till och med några timmar för att förhindra snabb nedbrytning av biologiskt material från celler. Denna nedbrytning introducerar ytterligare DNA, RNA eller vesiklar i plasman, vilket kan förvränga testresultaten.
Laboratorier väntar vanligtvis med att samla flera blodprover innan centrifugen används, vilket förlänger isoleringsprocessen med flera timmar. Denna fördröjning i kombination med den förlängda varaktigheten av centrifugering och operatörsvariabilitet gör det ibland utmanande att jämföra vetenskapliga rön mellan olika forskningslabb.
Till skillnad från centrifugmaskinen som vanligtvis behandlar flera rör med blodprov, kan ExoArc-teknologin skalas upp genom att designa flera kanaler för att samtidigt isolera blodplasma när och när blodprov tas emot på kliniker eller sjukhus på ett snabbare och mer konsekvent sätt.
I framtiden kan denna process automatiseras till en enstegsprocess, vilket avsevärt skulle minska den tid som behövs för att förbereda prover för testning och kommer att effektivisera den diagnostiska processen, vilket kan bidra till att minska den totala kostnaden. Genom att justera storleksgränsen kan denna plattformsteknik också användas för att isolera bakterier eller virus från blod eller andra biovätskor.
Utvecklingen av ExoArc stöds av ett Proof-of-Concept och Proof-of-Value-anslag från NTUitive Gap Fund, under NTU Innovation and Entrepreneurship-initiativet. Detta initiativ syftar till att omvandla forskning till praktiska innovationer som tar itu med samhälleliga utmaningar, som en åldrande befolkning, och genererar betydande ekonomiska fördelar för Singapore.
Mer information: Sheng Yuan Leong et al, High-Throughput Microfluidic Extraction of Platelet-free Plasma for MicroRNA and Extracellular Vesicle Analysis, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c12862
Journalinformation: ACS Nano
Tillhandahålls av Nanyang Technological University
