麻省理工学院研究人员设计的新型传感器可以极大地加速败血症的诊断过程，而败血症是美国医院的主要死亡原因，每年导致近25万患者死亡。
当人体对感染的免疫反应触发整个人体的炎症链反应，从而导致高心率，高烧，呼吸急促和其他问题时，就会发生败血症。如果任其发展，可能会导致败血性休克，血压下降和器官关闭。为了诊断败血症，医生传统上依靠各种诊断工具，包括生命体征，血液检查以及其他影像学和实验室检查。
近年来，研究人员发现血液中的蛋白质生物标志物是败血症的早期指标。一种有希望的候选物是白细胞介素-6（IL-6），一种响应炎症而产生的蛋白质。在败血症患者中，IL-6水平可在其他症状开始显现前数小时上升。但是，即使在这些升高的水平下，血液中这种蛋白质的浓度总体上仍然太低，以至于传统的分析设备无法快速检测到它。
在本周医学与生物学工程会议上发表的论文中，麻省理工学院的研究人员描述了一种基于微流控的系统，该系统可在约25分钟内自动检测出临床上有意义的IL-6水平，以进行败血症诊断，而无需抽血。
在一个微流体通道中，绑有抗体的微珠与血液样本混合以捕获IL-6生物标记物。在另一个通道中，只有含有生物标志物的珠子附着在电极上。通过电极的运行电压为每个生物标志物标记的珠子产生电信号，然后将其转换为生物标志物浓度水平。
该研究的第一作者丹·伍（Dan Wu）说：“对于进展迅速且可能危及生命的急性疾病，例如败血症，有助于快速测量这些非丰富的生物标记物的系统是有帮助的。”机械工程系。“随着疾病的进展，您还可以经常监视它。”
乔尔·沃尔德曼（Joel Voldman）是吴博士的论文之一，他是电气工程与计算机科学系的教授兼副主任，医疗电子设备实现中心的联合主任，也是电子学和微系统技术实验室的主要研究人员。 。
集成的自动化设计
检测蛋白质生物标志物的传统测定方法体积庞大，价格昂贵，只能用于需要约毫升血液并在数小时内产生结果的实验室。近年来，已经开发了使用微升血液在约30分钟内获得类似结果的便携式“即时护理”系统。
但是即时护理系统可能非常昂贵，因为大多数系统都使用昂贵的光学组件来检测生物标记。它们还只能捕获少量蛋白质，其中许多是血液中含量较高的蛋白质。降低价格，缩小成分或增加蛋白质含量的任何努力都会对其灵敏度产生负面影响。
在他们的工作中，研究人员希望将基于磁珠的检测方法（通常在实验室中使用）的组件收缩到大约几平方厘米的自动微流控设备上。这就需要在微米大小的通道中操纵微珠，并在微系统技术实验室中制造一种使流体运动自动化的设备。
珠子被吸引IL-6的抗体以及称为辣根过氧化物酶的催化酶包裹。珠子和血样被注入设备，进入“分析物捕获区”，该区域基本上是一个循环。沿着环路的是蠕动泵-通常用于控制液体-带有由外部回路自动控制的阀门。按特定顺序打开和关闭阀门会使血液和珠子混合在一起。约10分钟后，IL-6蛋白与珠子上的抗体结合。
那时，自动重新配置阀门会迫使混合物进入一个较小的回路，称为“检测区”，在此处它们会被困住。一个微小的磁铁收集珠子，以进行短暂清洗，然后将其释放到环中。大约10分钟后，许多珠子粘附在涂有吸引IL-6的单独抗体的电极上。那时，溶液流入环中，并冲洗未束缚的珠子，而带有IL-6蛋白的珠子留在电极上。
该溶液带有一个特定的分子，该分子与辣根酶发生反应，形成一种对电有反应的化合物。在溶液上施加电压时，每个剩余的磁珠都会产生较小的电流。一种称为“安培法”的常见化学技术将电流转换成可读信号。该设备对信号进行计数并计算IL-6的浓度。
“最终，医生只需使用移液器装载血液样本即可。然后，他们按下一个按钮，然后在25分钟后，他们知道了IL-6的浓度。”
该设备使用大约5微升的血液，大约是从手指刺取的血液的四分之一，是在基于实验室的检测中检测蛋白质生物标志物所需的100微升的一部分。该设备捕获的IL-6浓度低至每毫升16皮克，低于信号败血症的浓度，这意味着该设备足够灵敏以提供临床相关的检测。
通用平台
当前设计具有八个独立的微流控通道，可并行测量尽可能多的不同生物标志物或血液样本。可以在单独的通道中使用不同的抗体和酶以检测不同的生物标记，或者可以在同一通道中使用不同的抗体以同时检测多个生物标记。
接下来，研究人员计划创建一组重要的败血症生物标志物，以用于设备捕获，包括白介素6，白介素8，C反应蛋白和降钙素。但是，对于任何疾病，该设备可以测量多少种不同的生物标志物实际上并没有限制。值得注意的是，美国食品药品管理局已经批准了200多种用于各种疾病和状况的蛋白质生物标记。
Wu说：“这是一个非常通用的平台。”“如果要增加设备的物理尺寸，则可以扩大规模并设计更多通道以检测所需数量的生物标记。”
