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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 al año.
La sepsis ocurre cuando la respuesta inmune del cuerpo a la infección desencadena una reacción en cadena de inflamación en todo el cuerpo, lo que resulta en un ritmo cardíaco alto, fiebre alta, falta de aliento y otros problemas. Si no se hace nada, puede provocar un shock séptico, una caída de la presión arterial y el cierre de órganos. Para diagnosticar la sepsis, los médicos utilizan tradicionalmente diversas herramientas de diagnóstico, incluidos signos vitales, análisis de sangre, así como otras pruebas de imagen y de laboratorio.
En los últimos años, los investigadores han descubierto biomarcadores de proteínas en la sangre que son indicadores tempranos de sepsis. La interleucina-6 (IL-6), una proteína producida en respuesta a la inflamación, es un candidato prometedor. En pacientes con sepsis, los niveles de IL-6 pueden aumentar varias horas antes de que aparezcan otros síntomas. Pero incluso a estos altos niveles, la concentración de esta proteína en la sangre es generalmente demasiado baja para que los dispositivos de análisis tradicionales la detecten rápidamente.
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 una mancha de sangre .
En un canal microfluídico, las microperlas de anticuerpos se mezclan con una muestra de sangre para capturar el biomarcador de IL-6. En otro canal, solo las cuentas que contienen el biomarcador se unen a un electrodo. Un voltaje continuo a través del electrodo produce una señal eléctrica para cada cuenta que contiene un biomarcador, que luego se convierte en un nivel de concentración de biomarcador.
"Para una enfermedad aguda, como la sepsis, que evoluciona muy rápidamente y puede poner en peligro la vida, es útil tener un sistema para medir rápidamente estos biomarcadores escasos", dice el autor principal Dan Wu. , Estudiante de doctorado en el Departamento de Ingeniería Mecánica. . "También puede controlar con frecuencia el curso de la enfermedad".
Joel Voldman, profesor y director asociado del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática, codirector del Centro de Realización de Dispositivos Electrónicos Médicos y Científico Investigador Senior en los Laboratorios de Electrónica y Microsistemas, se unió a Wu.
Diseño integrado y automatizado.
Las pruebas tradicionales que detectan los biomarcadores de proteínas son máquinas grandes y costosas relegadas a laboratorios que requieren aproximadamente un mililitro de sangre y producen resultados en cuestión de horas. En los últimos años, se han desarrollado sistemas portátiles de "punto de atención" que utilizan microlitros de sangre para lograr resultados similares en aproximadamente 30 minutos.
Pero los sistemas de punto de atención pueden ser muy caros porque la mayoría usa componentes ópticos caros para detectar biomarcadores. Además, solo atrapan una pequeña cantidad de proteínas, muchas de las cuales son algunas de las más abundantes en la sangre. Cualquier esfuerzo para reducir el precio, reducir los componentes o aumentar los rangos de proteínas tiene un impacto negativo en su sensibilidad.
En su trabajo, los investigadores querían reducir los componentes de la prueba de perlas magnéticas, que a menudo se usa en el laboratorio, en un dispositivo microfluídico automatizado de varios centímetros cuadrados. Esto requirió manipular cuentas en canales del tamaño de micras y hacer un dispositivo en el Laboratorio de Tecnología de Microsistemas que automatice 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 y entran en un "área de captura de analito", que es esencialmente un circuito. A lo largo del circuito hay una bomba peristáltica, comúnmente utilizada para controlar líquidos, con válvulas controladas automáticamente por un circuito externo. La apertura y cierre de las válvulas en secuencias específicas circula la sangre y las bolas que se mezclan. Después de aproximadamente 10 minutos, las proteínas IL-6 se unieron a los anticuerpos en las perlas.
La reconfiguración automática de las válvulas en ese momento obliga 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 pegaron en un electrodo recubierto con un anticuerpo separado que atrae a IL-6. En este punto, una solución fluye hacia el circuito y lava las cuentas sueltas, mientras que las que contienen la proteína IL-6 permanecen en el electrodo.
La solución contiene una molécula específica que reacciona con 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 esta corriente en una señal legible. El dispositivo cuenta las señales y calcula la concentración de IL-6.
"Por su parte, los médicos simplemente están cargando una muestra de sangre con la ayuda de una pipeta". Luego, presionan un botón y 25 minutos después, conocen la concentración de IL-6 ", dice Wu.
El dispositivo utiliza alrededor de 5 microlitros de sangre, que es aproximadamente una cuarta parte del volumen de sangre con punción digital y una fracción de los 100 microlitros necesarios para detectar biomarcadores de proteínas en los análisis de laboratorio. El dispositivo registra concentraciones de IL-6 tan bajas como 16 picogramos por mililitro, que es inferior a las concentraciones que indican sepsis, lo que significa que el dispositivo es lo suficientemente sensible como para permitir una detección clínicamente relevante.
Una plataforma general
El diseño actual incluye ocho canales microfluídicos distintos 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 múltiples biomarcadores simultáneamente.
Luego, los investigadores planean crear un panel de biomarcadores importantes de sepsis que capturará el dispositivo que se capturará, incluyendo interleucina-6, interleucina-8, proteína C reactiva y procalcitonina. Pero, en realidad, no hay límite para la cantidad de biomarcadores diferentes que el dispositivo puede medir, independientemente de la enfermedad, dice Wu. Notablemente, la Administración de Alimentos y Medicamentos de los EE. UU. Administración de Drogas.
"Esta es una plataforma muy general", dice Wu. "Si desea aumentar la huella física del dispositivo, puede aumentar el tamaño y diseñar más canales para detectar tantos biomarcadores como desee".
Daniel Irimia, profesor asociado y subdirector del Centro de Recursos BioMEMS del Centro de Ingeniería Médica del Hospital General de Massachusetts, llama al biosensor "éxito técnico significativo", que podría ayudar a profundizar la investigación sobre el papel de la IL. -6 en sepsis y otras condiciones. . "Varios estudios han estimado correlaciones entre los niveles de interleucina-6 (IL-6) y sepsis. Sin embargo, estos estudios fueron pequeños porque las técnicas para medir los niveles de IL-6 son engorrosas y requieren mucho tiempo. Además, estos estudios también revelaron que la IL-6 con frecuencia se eleva en condiciones no spsic y no infecciosas. Entonces, la tecnología … que mide la IL-6 de manera rápida y precisa podría permitir precisamente los estudios más grandes necesarios para aclarar el valor clínico de la IL-6 como biomarcador ", dijo. dicho.
El trabajo fue financiado por Analog Devices, Maxim Integrated y Novartis Biomedical Research Institutes.
