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Zehn-Minuten-Bluttest
Die Messung von Proteinen im Blut kann Ärzten helfen, das Krebsrisiko von Patienten zu bestimmen und den Gesundheitszustand älterer und chronisch kranker Menschen zu überwachen. Aber die derzeitigen Methoden zum Testen dieser Proteine sind zu teuer und erfordern zu viel Blut, um regelmäßig durchgeführt zu werden. Ein Mikrofluidik-Chip in klinischen Studien erledigt auf einem einzigen Chip in 10 Minuten, wofür normalerweise mehrere Techniker Stunden benötigen – und das mit nur einem einzigen Tropfen Blut. Die Forscher hoffen, eine bettseitige Diagnostik auf Basis von Blutproteinen Realität werden zu lassen, indem sie die Kosten für solche Tests um mindestens eine Größenordnung senken.
Fingerstich zum Protein: Ein mikrofluidischer Chip identifiziert innerhalb von 10 Minuten 35 Proteine in einem Blutstropfen. Der gesamte Analyseprozess wird auf dem Chip durchgeführt. Zuerst werden Blutzellen vom proteinreichen Serum getrennt, das durch die engen Kanäle wandert. Diese Kanäle sind mit proteinfangenden Strichcodes beschichtet, die unter einem Fluoreszenzmikroskop aufleuchten, wenn der Blutstropfen das interessierende Protein enthält.
Der Diagnosechip wird von Caltech-Chemieprofessor entwickelt James Heath und von Leroy-Haube , dem Präsidenten und Gründer des Institute for Systems Biology in Seattle. Heath und Hood haben ein Unternehmen namens Integrated Diagnostics gegründet, um den Blutchip zu vermarkten.
Serumproteine bieten ein unglaubliches Fenster in die Biologie von Krankheiten, sagt Paul Mischel , Professor für Pathologie an der University of California, Los Angeles. Aber heute kostet es etwa 500 US-Dollar, auf ein Blutprotein zu testen, und für diese Tests sind 10 bis 15 Milliliter Blut und mehrere Arztbesuche erforderlich.
Wir haben uns entschieden, die Dinge spottbillig zu machen: Es kostet ein Nickel pro Protein, sagt Heath über das aktuelle Gerät. Solche schnellen und kostengünstigen Tests, die nur einen Blutstropfen erfordern, sollen es Ärzten ermöglichen, häufiger Proteine zu kontrollieren, Krankheiten wie Krebs früher zu erkennen und ältere Menschen besser präventiv zu behandeln. Die neue Diagnostik soll auch genauer sein, sagt Heath. Herkömmliche Blutproben ruhen Stunden oder sogar Tage, bevor der Messvorgang abgeschlossen ist, sodass sie viel Zeit haben, um sich zu zersetzen.
Das Gerät von Heath und Hood, beschrieben in der dieswöchigen Ausgabe von Natur Biotechnologie , startet den Analyseprozess mit einigen einfachen Mikrofluidiken. Ein Blutstropfen wird durch die Anwendung eines kleinen äußeren Drucks durch einen mikroskaligen Kanal gezogen. Dieser erste Kanal zweigt in engere ab, die Blutzellen ausschließen und das proteinreiche Blutserum aufnehmen. Bei typischen Bluttests erfordert dieser Trennschritt eine Zentrifuge.
Die schmaleren Kanäle sind mit einem von Heath als Protein-Barcode bezeichneten Muster versehen – DNA-Linien, die an Antikörper gebunden sind, die interessierende Proteine aus dem Serum einfangen. Nachdem das Serum und die Zellen ausgespült wurden, werden Antikörper, die an rot fluoreszierende Proteine gebunden sind, eingespült, wodurch die eingefangenen Blutproteine zum Leuchten gebracht werden. Die Protein-Barcodes können unter einem Fluoreszenzmikroskop oder einem Genchip-Scanner gelesen werden. Die Identität der eingefangenen Blutproteine kann durch die Lage der roten Linien im Strichcode relativ zu einer grün fluoreszierenden Referenzlinie bestimmt werden.
Durch die Messung, wie viel Licht von einem bestimmten Proteinpunkt im Strichcode ausgestrahlt wird, können Heath und Hood seine Konzentration im Blut quantifizieren. Heath merkt an, dass der Chip Blutproteine über einen weiten Konzentrationsbereich messen kann, was es ermöglicht, nicht nur reichlich Blutproteine zu messen, die vom Immunsystem gebildet werden, sondern auch seltenere Proteine aus Organen wie dem Gehirn. Das Gerät ist so empfindlich wie herkömmliche Proteintests, und Heath und Hood können alle Proteine messen, an denen sie interessiert sind, indem sie maßgeschneiderte Chips mit den richtigen Antikörpern herstellen.
Während sich andere Gruppen auf Proteine konzentrierten, die von vielen Organen gebildet werden, was die Interpretation der Ergebnisse erschwert, sagt Hood: Wir entwickeln eine Strategie zur Identifizierung organspezifischer Blutproteine. Hood sagt, dass seine Gruppe derzeit Massenspektrometrie verwendet, um Proteine zu entdecken, die für die Leber und das Gehirn spezifisch sind.
In ihrem veröffentlichten Artikel beschreiben die Forscher die Verwendung des Bluttests, um das Risikoniveau von Menschen mit Brust- und Prostatakrebs zu bestimmen. Heath sagt, dass der Chip in klinischen Studien getestet wird, an denen sowohl Krebspatienten als auch gesunde Personen teilnehmen. Die Studien an gesunden Patienten, die die Gruppe derzeit durchführt, wären mit Technologien, die eine große Blutabnahme erfordern, unpraktisch, aber mit den Chips ist es laut Heath möglich, Blutproteine mehrmals täglich zu messen. Die Forscher verwenden die Blutchips, um zu überwachen, wie Ernährung und Bewegung die Blut-Protein-Zusammensetzung beeinflussen.
Diese Geräte sollten zu einer Senkung der Kosten und einem unglaublichen Nutzen für die Patienten führen, sagt Emil Kartalov , Professor für Pathologie an der Keck School of Medicine der University of Southern California. Kartalov, der nicht mit Heath und Hood zusammenarbeitet, entwickelt ähnliche Chips und er hat einige der Trennmethoden entwickelt, die beim Blutchip verwendet werden. Kartalov sagt, dass die Arbeit von Heath und Hood ein großer Schritt nach vorne ist, aber damit diese Chips wirklich auf dem Feld eingesetzt werden können, müssen sie über fluoreszierende Proteine hinausgehen. Fluoreszenzmikroskope sind zu teuer und zu sperrig, um sie auf das Schlachtfeld oder in die Patientenwohnungen mitzunehmen. Kartalov sagt, dass zukünftige Diagnostika wahrscheinlich die fluoreszierenden Proteine durch geladene Proteine ersetzen werden, da die Messung von Änderungen des elektrischen Stroms viel einfacher und praktischer ist.