麻省理工的研究人員發(fā)明的一種微流體裝置可以幫助醫(yī)生在大約25分鐘內自動檢測敗血癥生物標記物濃度升高，而且只需刺破手指取少量的血就可以檢測了——敗血癥是美國醫(yī)院患者死亡的主要原因之一。

對醫(yī)生來說，時間就是生命，自動化系統(tǒng)可以檢測出潛在威脅生命狀況的早期生物標志物。

Rob Matheson | MIT News Office July 23, 2019

http://news.mit.edu/2019/biosensor-diagnose-sepsis-minutes-0723

由麻省理工學院研究人員設計的一種新型傳感器可以顯著加速敗血癥的診斷過程。敗血癥是美國醫(yī)院每年導致近25萬名患者死亡的主要死因。

當身體對感染的免疫反應引發(fā)全身炎癥鏈反應，導致心率加快、高燒、呼吸急促等問題時，就會發(fā)生敗血癥。如果不加以控制，它會導致敗血性休克，從而導致血壓下降和器官衰竭。傳統(tǒng)上醫(yī)生依賴各種診斷工具來診斷敗血癥，包括生命體征，血液測試，其他成像和實驗室測試。

近年來，研究人員在血液中發(fā)現(xiàn)蛋白質生物標記物是敗血癥的早期指標。一種很有希望的候選者是白細胞介素-6（IL-6），一種在炎癥反應中產生的蛋白。在敗血癥患者中，IL-6水平可以在其他癥狀出現(xiàn)前數小時升高。即使IL-6會出現(xiàn)高水平的癥狀，但是血液中這種蛋白質的濃度總體上也過低，傳統(tǒng)的檢測設備無法快速檢測到它。

在本周醫(yī)學與生物學工程會議上發(fā)表的一篇論文中，麻省理工學院的研究人員描述了一種基于微流體的系統(tǒng)，它可以在大約25分鐘內自動檢測臨床上顯著水平的IL-6用于敗血癥的診斷，而且只需刺破手指取少量的血就可以檢測了。

在一個微流控通道中，含有抗體的微珠與血液樣本混合以捕獲IL-6生物標記物。在另一個通道中，只有包含該生物標記物的珠子附著在電極上。通過電極的運行電壓為每個帶有生物標志物的珠粒產生電信號，然后將其轉換為生物標志物濃度水平。

研究報告的第一作者、機械工程系博士生Dan Wu說：“對于像敗血癥這樣的急性疾病，進展非常迅速，而且可能危及生命，建立一個系統(tǒng)來快速測量這些不具備生物標記物的系統(tǒng)是很有幫助的。隨著疾病的發(fā)展，你也可以頻繁地對其進行監(jiān)測。”

論文的其他作者包括：電子工程與計算機科學系副主任、醫(yī)學電子器件實現(xiàn)中心聯(lián)合主任、電子學研究實驗室和微系統(tǒng)技術實驗室的首席研究員Joel Voldman。

綜合自動化設計

傳統(tǒng)的檢測蛋白質生物標記物的方法是體積龐大、價格昂貴的機器，只能放到實驗室里，需要大約1毫升的血液，并在幾個小時內產生結果。近年來，人們開發(fā)了便攜式的“定點護理”系統(tǒng)，利用微量血液在大約30分鐘內獲得類似的結果。

但由于大多數使用昂貴的光學元件來檢測生物標記物，所以定點醫(yī)療系統(tǒng)可能非常昂貴。它們也只捕獲少量的蛋白質，其中許多是血液中含量較豐富的蛋白質。任何降低價格、減少成分或增加蛋白質含量的努力都會對其敏感性產生負面影響。

在他們的工作中，研究人員希望將實驗室中常用的磁珠分析法的成分壓縮到大約幾平方厘米的自動微流體裝置上。這就需要在微米大小的通道中操縱珠子，并在微系統(tǒng)技術實驗室制造一個裝置來自動進行流體的運動。

珠子表面涂有抗體以吸引IL-6，以及一種叫做辣根過氧化物酶的催化酶。珠子和血樣被注入裝置，進入一個“分析物捕獲區(qū)”，這基本上是一個循環(huán)。沿著回路是一個蠕動泵——通常用于控制液體——閥門由一個外部電路自動控制。以特定的順序打開和關閉瓣膜，使血液和珠子循環(huán)，使它們混合在一起。大約10分鐘后，IL-6蛋白與珠子上的抗體結合在一起。

此時自動重新配置閥門會迫使混合物進入一個更小的回路，稱為“檢測區(qū)”，在那里它們會被困住。一個微小的磁鐵將珠子收集起來進行短暫的清洗，然后再將它們釋放出來。大約10分鐘后，許多珠子粘在一個電極上，電極上涂有一種能吸引IL-6的單獨抗體。在那個時候，溶液流進回路，清洗掉沒有系住的珠子，而帶有IL-6 蛋白的那些留在電極上。

該溶液攜帶一種特殊的分子，該分子與辣根酶起反應，產生一種對電起反應的化合物。當電壓施加到溶液中時，每一個剩馀的磁珠都會產生一個小電流。一種常用的化學技術叫做“電流滴定法”，它將電流轉換成可讀的信號。該裝置對信號進行計數并計算IL-6的濃度。

“最后，醫(yī)生只需用移液管輸入血液樣本。然后，他們按下一個按鈕，然后25分鐘后他們就知道了IL-6的濃度，”吳博士說。

該設備使用大約5微升的血液，大約是從刺破的手指上抽取的血液體積的四分之一，以及在實驗室檢測中檢測蛋白質生物標記物所需的100微升血液的一小部分。該裝置捕獲每毫升低至16微微克的IL-6濃度，這是低于敗血癥的信號濃度，這意味著該設備是足夠敏感，以提供臨床相關的檢測。

一個通用的平臺

目前的設計有八個獨立的微流體通道，可以同時測量許多不同的生物標志物或血液樣本。不同的抗體和酶可以在不同的通道中檢測不同的生物標志物，或者不同的抗體可以在同一通道中同時檢測多個生物標志物。

吳博士說：“接下來，研究人員計劃建立一個重要的敗血癥生物標記物小組，包括白細胞介素-6，白細胞介素-8，C-反應蛋白和降鈣素原。但是這種設備可以測量多少種不同的生物標記物，對任何疾病都沒有限制。”值得注意的是，美國食品和藥物管理局已經批準了200多種不同疾病和條件的蛋白質生物標志物。

吳博士說“這是一個非常普遍的平臺。如果你想增加設備的物理足跡，你可以擴大規(guī)模，設計更多的通道來檢測你想檢測的生物標志物。”

這項工作是由 Analog Devices， Maxim Integrated，和諾華生物醫(yī)藥研究所（Novartis Institutes of Biomedical Research）資助。

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