Μια συμπαγής συσκευή χειρός μπορεί να ανιχνεύσει βιοδείκτες καρκίνου σε μια σταγόνα αίματος

Επιμέλεια: Στέλιος Βασιλούδης

Μία μόνο σταγόνα αίματος θα μπορούσε σύντομα να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο του καρκίνου σε πρώιμο στάδιο, σύμφωνα με τον Wen Liaoyong του Πανεπιστημίου Westlake στη Hangzhou της Κίνας. Η ομάδα του Wen έχει συμπιέσει αυτό που κάποτε ήταν ένα σύστημα ανίχνευσης μεγέθους ψυγείου σε ένα αντικείμενο που χωράει στην παλάμη του χεριού – και έχει αυξήσει την ακρίβεια σε περίπου 10.000 φορές μεγαλύτερη από αυτήν των συμβατικών μεθόδων.

Τα ευρήματα δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Nature Photonics στις 13 Μαΐου.

«Αυτή η εργασία καθιερώνει ένα κλιμακωτό και ισχυρό παράδειγμα νανοφωτονικής βιοανίχνευσης για μικρού μεγέθους, υψηλής απόδοσης διαγνωστικά εργαλεία σε κλινικά, απομακρυσμένα και κατ’ οίκον περιβάλλοντα», έγραψε ο Wen στην εισαγωγή της εργασίας.

Ο Wen, πρώην ερευνητής του Πανεπιστημίου του Κονέκτικατ, εντάχθηκε στη σχολή μηχανικής του Πανεπιστημίου Westlake το 2019 ως επίκουρος καθηγητής και ανεξάρτητος κύριος ερευνητής. Προήχθη σε αναπληρωτή καθηγητή τον περασμένο Ιούλιο. Η έρευνα του επικεντρώνεται σε νέα νανοδομημένα υλικά πολλαπλών συστατικών και στις πολυλειτουργικές εφαρμογές τους.

Ο παραδοσιακός εξοπλισμός για την ανίχνευση καρκινικών βιοδεικτών στο αίμα απαιτεί πρίσματα, φασματόμετρα και σύνθετες οπτικές διαδρομές. Τα μηχανήματα που προκύπτουν έχουν συνήθως το μέγεθος ενός ψυγείου με διπλή πόρτα και ως εκ τούτου περιορίζονται σε εργαστήρια ή εξειδικευμένα κέντρα δοκιμών. Η ομάδα του Wen χρησιμοποιεί έναν μηχανισμό που ονομάζεται Q-modulated refractometric sensor για να συρρικνώσει τον εξοπλισμό σε μέγεθος φορητής συσκευής.

Σε αντίθεση με την παραδοσιακή φασματοσκοπία, η οποία ανιχνεύει το μήκος κύματος του φωτός, αυτός ο μηχανισμός μετρά την ένταση του φωτός.

Αν το μετρήσιμο εύρος των αλλαγών του δείκτη διάθλασης – που είναι οι μεταβολές στον τρόπο με τον οποίο το φως κάμπτεται όταν περνά μέσα από ένα δείγμα αίματος που περιέχει  βιοδείκτες – ήταν ένας χάρακας ενός μέτρου, αυτό το σύστημα θα μπορούσε να ανιχνεύσει αλλαγές τόσο μικρές όσο λίγα μικρόμετρα.

Για να το πετύχει αυτό, η ομάδα του Wen σχεδίασε ένα τρισδιάστατο τσιπ χρησιμοποιώντας μεταϋλικά – μηχανικά κατασκευασμένες επιφάνειες που χειρίζονται το φως με τρόπους που τα φυσικά υλικά δεν μπορούν. Η εργασία βασίζεται σε ευρήματα που δημοσιεύθηκαν πέρυσι στο Nature Materials, στα οποία η ομάδα χρησιμοποίησε αλουμίνιο για να επιτύχει κατασκευή υψηλής ακρίβειας σε ολόκληρο το εύρος κλίμακας, από νανο έως μακροσκοπική.

Τα παραδοσιακά οπτικά τσιπ που βασίζονται σε μεταεπιφάνειες «γράφονται» μία φορά τη φορά χρησιμοποιώντας λιθογραφία δέσμης ηλεκτρονίων – μια διαδικασία παρόμοια με την αντιγραφή ενός βιβλίου λέξη προς λέξη – καθιστώντας δύσκολη τη μαζική παραγωγή τους, με κάθε τσιπ να κοστίζει εκατοντάδες δολάρια ΗΠΑ.

Η ομάδα του Wen έχει, στην πραγματικότητα, προχωρήσει την κατασκευή τσιπ από την εποχή της «αντιγραφής βιβλίων» στην εποχή της «εκτύπωσης κινητών στοιχείων». Δημιουργώντας αρχικά μια master έκδοση του τσιπ και στη συνέχεια αναπαράγοντας το μαζικά, χιλιάδες τσιπ υψηλής συνοχής μπορούν να εκτυπωθούν σε ένα wafer οκτώ ιντσών ταυτόχρονα, με το κόστος ανά τσιπ να μειώνεται στα 5 δολάρια ΗΠΑ. Επειδή ο νέος μηχανισμός μετρά μόνο την ένταση του φωτός, ολόκληρο το σύστημα ανίχνευσης μπορεί να είναι εξαιρετικά απλό – να περιλαμβάνει μόνο ένα τσιπ ανίχνευσης 3D BIC, μια πηγή φωτός LED και έναν φωτοανιχνευτή.

Xιλιάδες τσιπ υψηλής συνοχής μπορούν να εκτυπωθούν σε ένα wafer οκτώ ιντσών ταυτόχρονα

Μόλις συναρμολογηθεί, είναι αρκετά συμπαγές για χρήση στο σπίτι, αντί να απαιτεί εργαστηριακό περιβάλλον. Για να καταδείξει τις δυνατότητες του συστήματος, ο Wen συνεργάστηκε με το Πανεπιστήμιο Xiamen για την ανίχνευση μικρών εξωκυτταρικών κυστιδίων (sEVs) που σχετίζονται με τον καρκίνο του πνεύμονα. Τέτοια sEVs είναι σημαντικοί βιοδείκτες στην υγρή βιοψία, αλλά τα εξαιρετικά χαμηλά επίπεδά τους σε ασθενείς πρώιμου σταδίου καθιστούν δύσκολη την ανίχνευσή τους με παραδοσιακές μεθόδους.

Η φορητή συσκευή του Wen αποδείχθηκε περίπου 10.000 φορές πιο ευαίσθητη από την τυπική ενζυμική ανοσοπροσροφητική δοκιμασία (Elisa) στην ανίχνευση αυτών των βιοδεικτών καρκίνου του πνεύμονα σε πρώιμο στάδιο. Σε δοκιμές σε 171 κλινικά δείγματα ορού από ασθενείς με καρκίνο του πνεύμονα, η συσκευή επέδειξε ισχυρή διακριτική ικανότητα, επιτυγχάνοντας ακρίβεια έως και 94,9% για την έγκαιρη ανίχνευση του καρκίνου του πνεύμονα και 92,1% για την μετεγχειρητική παρακολούθηση. Αντίθετα, οι παραδοσιακές μέθοδοι Elisa πέτυχαν μόνο 74,7%.

Σύμφωνα με την ερευνητική εργασία, η πλατφόρμα έχει ευρύτερες εφαρμογές πέρα ​​από τον έλεγχο παρουσίας όγκων.

«Η μικρονανο-τεχνολογία κατασκευής – ως βασική υποστηρικτική τεχνολογία της σύγχρονης κοινωνίας της πληροφορίας – έχει εφαρμοστεί ευρέως σε τομείς όπως η αλληλεπίδραση οπτικών, ηλεκτρικών και μαγνητικών σημάτων, αποτελώντας βασική δύναμη στην προώθηση του ψηφιακού μετασχηματισμού», δήλωσε ο Wen.

Πηγή: South China Morning Post