El dispositivo de microfluidos ayuda a diagnosticar la sepsis en minutos. Cuando el tiempo importa en los hospitales, el sistema automatizado puede detectar un biomarcador temprano para la afección potencialmente mortal.
Rob Matheson | MIT News Office
Un nuevo sensor diseñado por investigadores del MIT podría acelerar drásticamente el proceso de diagnóstico de sepsis, una de las principales causas de muerte en los hospitales de EE. UU. Que mata a casi 250,000 pacientes anualmente.
La sepsis ocurre cuando la respuesta inmune del cuerpo a la infección desencadena una reacción en cadena de inflamación en todo el cuerpo, causando un ritmo cardíaco alto, fiebre alta, falta de aliento y otros problemas. Si no se controla, puede provocar un shock séptico, donde la presión arterial cae y los órganos se cierran. Para diagnosticar la sepsis, los médicos tradicionalmente confían en varias herramientas de diagnóstico, que incluyen signos vitales, análisis de sangre y otras pruebas de imagen y de laboratorio.
En los últimos años, los investigadores han encontrado biomarcadores de proteínas en la sangre que son indicadores tempranos de sepsis. Un candidato prometedor es la interleucina-6 (IL-6), una proteína producida en respuesta a la inflamación. En pacientes con sepsis, los niveles de IL-6 pueden aumentar horas antes de que otros síntomas comiencen a aparecer. Pero incluso a estos niveles elevados, la concentración de esta proteína en la sangre es demasiado baja en general para que los dispositivos de análisis tradicionales la detecten rápidamente.
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En un artículo presentado esta semana en la Conferencia de Ingeniería en Medicina y Biología, los investigadores del MIT describen un sistema basado en microfluídica que detecta automáticamente niveles clínicamente significativos de IL-6 para el diagnóstico de sepsis en aproximadamente 25 minutos, utilizando menos de un pinchazo de sangre .
En un canal microfluídico, las microperlas mezcladas con anticuerpos se mezclan con una muestra de sangre para capturar el biomarcador IL-6. En otro canal, solo las cuentas que contienen el biomarcador se unen a un electrodo. El voltaje de funcionamiento a través del electrodo produce una señal eléctrica para cada cuenta unida a biomarcadores, que luego se convierte en el nivel de concentración de biomarcadores.
Dan Wu
«Para una enfermedad aguda, como la sepsis, que progresa muy rápidamente y puede poner en peligro la vida, es útil tener un sistema que mida rápidamente estos biomarcadores no abundantes», dice el primer autor Dan Wu, estudiante de doctorado en el Departamento de Ingeniería Mecánica . «También puede controlar con frecuencia la enfermedad a medida que progresa».
Joel Voldman, profesor y jefe asociado del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación, codirector del Centro de Realización de Dispositivos Electrónicos Médicos e Investigador principal en el Laboratorio de Investigación de Electrónica y los Laboratorios de Tecnología de Microsistemas, se une a Wu en el documento. .
Diseño integrado y automatizado.
Joel Voldman
Los ensayos tradicionales que detectan los biomarcadores de proteínas son máquinas voluminosas y costosas relegadas a laboratorios que requieren aproximadamente un mililitro de sangre y producen resultados en horas. En los últimos años, se han desarrollado sistemas portátiles de «punto de atención» que utilizan microlitros de sangre para obtener resultados similares en aproximadamente 30 minutos.
Pero los sistemas de punto de atención pueden ser muy caros, ya que la mayoría usa componentes ópticos caros para detectar los biomarcadores. También capturan solo un pequeño número de proteínas, muchas de las cuales se encuentran entre las más abundantes en la sangre. Cualquier esfuerzo por disminuir el precio, reducir los componentes o aumentar los rangos de proteínas afecta negativamente su sensibilidad.
En su trabajo, los investigadores querían reducir los componentes del ensayo basado en cuentas magnéticas, que a menudo se usa en laboratorios, en un dispositivo de microfluidos automatizado que mide aproximadamente varios centímetros cuadrados. Eso requirió manipular cuentas en canales del tamaño de micras y fabricar un dispositivo en el Laboratorio de Tecnología de Microsistemas que automatizó el movimiento de fluidos.
Las cuentas están recubiertas con un anticuerpo que atrae IL-6, así como una enzima catalizadora llamada peroxidasa de rábano picante. Las perlas y la muestra de sangre se inyectan en el dispositivo, entrando en una «zona de captura de analitos», que es básicamente un bucle. A lo largo del circuito hay una bomba peristáltica, comúnmente utilizada para controlar líquidos, con válvulas controladas automáticamente por un circuito externo. Al abrir y cerrar las válvulas en secuencias específicas, circula la sangre y las perlas para mezclarse. Después de aproximadamente 10 minutos, las proteínas IL-6 se han unido a los anticuerpos en las perlas.
La reconfiguración automática de las válvulas en ese momento fuerza a la mezcla a un circuito más pequeño, llamado «zona de detección», donde permanecen atrapados. Un pequeño imán recoge las cuentas para un breve lavado antes de soltarlas alrededor del lazo. Después de aproximadamente 10 minutos, muchas perlas se han pegado en un electrodo recubierto con un anticuerpo separado que atrae a IL-6. En ese momento, una solución fluye hacia el circuito y lava las cuentas sin ataduras, mientras que las que tienen proteína IL-6 permanecen en el electrodo.
La solución lleva una molécula específica que reacciona a la enzima de rábano picante para crear un compuesto que responde a la electricidad. Cuando se aplica un voltaje a la solución, cada cuenta restante crea una pequeña corriente. Una técnica química común llamada «amperometría» convierte esa corriente en una señal legible. El dispositivo cuenta las señales y calcula la concentración de IL-6.
“Por su parte, los médicos simplemente cargan una muestra de sangre con una pipeta. Luego, presionan un botón y 25 minutos después conocen la concentración de IL-6 ”, dice Wu.
El dispositivo utiliza aproximadamente 5 microlitros de sangre, que es aproximadamente un cuarto del volumen de sangre extraído de un pinchazo en el dedo y una fracción de los 100 microlitros necesarios para detectar biomarcadores de proteínas en ensayos de laboratorio. El dispositivo captura concentraciones de IL-6 tan bajas como 16 picogramos por mililitro, que está por debajo de las concentraciones que indican sepsis, lo que significa que el dispositivo es lo suficientemente sensible como para proporcionar una detección clínicamente relevante.
Dispositivo de microfluidos ayuda a diagnosticar la sepsis en minutos. Una plataforma general
El diseño actual tiene ocho canales de microfluídica separados para medir tantos biomarcadores diferentes o muestras de sangre en paralelo. Se pueden usar diferentes anticuerpos y enzimas en canales separados para detectar diferentes biomarcadores, o se pueden usar diferentes anticuerpos en el mismo canal para detectar varios biomarcadores simultáneamente.
Luego, los investigadores planean crear un panel de biomarcadores de sepsis importantes para que el dispositivo capture, incluyendo interleucina-6, interleucina-8, proteína C reactiva y procalcitonina. Pero realmente no hay límite para la cantidad de biomarcadores diferentes que el dispositivo puede medir, para cualquier enfermedad, dice Wu. En particular, la Administración de Alimentos y Medicamentos de EE. UU. Ha aprobado más de 200 biomarcadores de proteínas para diversas enfermedades y afecciones.
«Esta es una plataforma muy general», dice Wu. «Si desea aumentar la huella física del dispositivo, puede ampliar y diseñar más canales para detectar tantos biomarcadores como desee».
El trabajo fue financiado por Analog Devices, Maxim Integrated y los Institutos Novartis de Investigación Biomédica.