Una de las fronteras del diagnóstico médico es la carrera por análisis de sangre más sensibles. La capacidad de detectar proteínas extremadamente raras podría marcar una diferencia vital para muchas afecciones, como la detección temprana de ciertos cánceres o el diagnóstico de lesión cerebral traumática, donde los biomarcadores relevantes solo aparecen en cantidades extremadamente pequeñas.

Están empezando a estar disponibles enfoques comerciales para la detección de proteínas ultrasensibles, pero se basan en ópticas caras y manipuladores de fluidos, lo que los hace relativamente voluminosos y costosos y restringe su uso a entornos de laboratorio.

Sabiendo que tener este tipo de sistema de diagnóstico disponible como dispositivo en el punto de atención sería fundamental para muchas afecciones, especialmente lesión cerebral traumática, Los ingenieros de la Universidad de Pensilvania han desarrollado una prueba que utiliza componentes estándar y puede detectar proteínas individuales con resultados en cuestión de minutos. en comparación con el flujo de trabajo tradicional, que puede llevar días.

Usando una cámara de teléfono celular estándar y un conjunto de luces LED estroboscópicas, combinado con los generadores de gotas de microfluidos de su laboratorio, el equipo ha desarrollado un sistema que es mil veces más sensible que el ensayo de proteínas estándar, es portátil, y considerablemente menos costoso que las pruebas de proteína única de última generación que llegan al mercado por primera vez.

Los investigadores, dirigido por David Issadore, profesor asistente en el Departamento de Bioingeniería de Penn Engineering, y la estudiante de posgrado Venkata R. Yelleswarapu, demostraron su sistema en un estudio publicado en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

El ensayo de detección de proteínas estándar, ELISA, implica unir anticuerpos a las proteínas en cuestión, luego midiendo cuánto cambia el color de la muestra en respuesta a las enzimas ligadas a los anticuerpos. Este proceso es lo suficientemente rápido y simple como para incorporarse en dispositivos de punto de atención, como las pruebas caseras del VIH, pero solo funciona cuando las proteínas están en grandes concentraciones.

Actualmente, existen muy pocos biomarcadores de lesión cerebral traumática porque muy pocos de los marcadores proteicos de esas lesiones atraviesan la barrera hematoencefálica. Los investigadores médicos han confirmado recientemente que tales marcadores podrían usarse para un análisis de sangre, y dadas sus concentraciones ultrabajas, esa prueba tendría que ser mucho más sensible que la matriz ELISA estándar.

"Mil veces más sensible, '"Dice Issadore, "queremos decir que si tuviéramos un vial de sangre con solo algunas de las proteínas relevantes, podemos contar con precisión esas proteínas, mientras que una prueba tradicional no podía decir de manera confiable la diferencia entre ese vial de sangre y uno sin proteína. A medida que sigues aumentando la cantidad de proteínas, la prueba tradicional eventualmente podrá detectarlos, pero podemos cuantificar el número de proteínas en concentraciones mil veces menores de lo que pueden ".

El enfoque de Issadore funciona midiendo una proteína a la vez, dividiendo la muestra en microgotitas, cada uno de los cuales contiene una sola proteína o ninguna. La experiencia de su laboratorio en microfluídica ha producido microchips grabados con cientos de generadores de microgotas, todos trabajando en paralelo.

"Normalmente, tendría que medir con mucha precisión cuánto cambia de color o fluoresce una muestra, pero aquí lo estamos convirtiendo en decenas de millones de preguntas de sí o no, "Dice Issadore." La digitalización de esa pregunta reduce el costo de la cámara y el equipo de manejo de fluidos circundante, pero cambia el problema a cómo procesar decenas de millones de esas preguntas, de una manera que sea reproducible, preciso, económico y portátil ".

Si bien una cámara estándar puede detectar si una microgotita contiene una proteína unida a un marcador fluorescente o no, el gran desafío fue acelerar el proceso. Los detectores de gotas digitales existentes alinean las gotas para que puedan medirse una a la vez. Tales sistemas son precisos, pero voluminoso y caro. También tienen un rendimiento limitado, debido a la necesidad de observar millones de gotas una a la vez.

"Mil gotas por segundo, el rendimiento de las tecnologías convencionales, sigue siendo bastante lento si necesita medir 50 millones, "Dice Yelleswarapu.

En lugar de tener un solo canal, los investigadores hacen fluir gotitas en cientos de canales que pasan junto a la cámara al mismo tiempo. El cuello de botella sin embargo, es la rapidez con la que una cámara puede capturar los datos.

"Convencionalmente, eso no funcionaría ya que el tiempo de exposición que obtendría de una cámara normal es tal que las señales de dos gotas una al lado de la otra se superpondrían, "Dice Yelleswarapu." La cámara de un teléfono celular toma alrededor de cien imágenes por segundo, y eso es demasiado lento para ser útil para resolver estas gotitas. Pero puedes usar esa cámara si la fuente de luz que estás usando para iluminar las gotas parpadea mil veces más rápido que la velocidad de fotogramas de la cámara ".

El truco que hace que el enfoque del equipo de Issadore funcione fue codificar esta luz estroboscópica con una señal que les permitiría separar una microgotita de sus vecinas.

"Estamos usando la luz estroboscópica en un patrón muy específico que nunca se repite, que es una técnica que tomamos prestada del radar, "Dice Issadore." A medida que las señales atraviesan la pantalla, se imprimen con este código de barras. Entonces, aunque se superponen entre sí, podemos distinguirlos por qué pulso estroboscópico iluminó cada gota ".

El grupo de Issadore ha publicado anteriormente sobre marcadores de lesiones cerebrales traumáticas, y tiene un proyecto de investigación en curso con el Presbyterian Hospital con pacientes con lesiones cerebrales. También tienen una empresa derivada, Diagnóstico de chips, con sede en el Pennovation Center, cuyo objetivo es producir kits de prueba para el diagnóstico temprano del cáncer y la lesión cerebral traumática.