Tidak Ada Lagi Jarum untuk Tes Diagnostik? Insinyur Mengembangkan Patch Microneedle yang Hampir Tanpa Rasa Sakit

Di

Insinyur di McKelvey School of Engineering di University of Washington di St. Louis telah mengembangkan patch microneedle yang dapat diterapkan pada kulit, menangkap biomarker yang menarik dari cairan interstisial dan, berkat kepekaannya yang belum pernah terjadi sebelumnya, memungkinkan dokter untuk mendeteksi kehadiran mereka. Kredit: Sisi Cao

Patch microneedle yang hampir tidak menimbulkan rasa sakit dapat menguji antibodi dan bahkan lebih banyak lagi cairan antar sel.

Aspirasi darah tidak menyenangkan.

Mereka terluka. Pembuluh darah bisa terkelupas, atau bahkan berguling – saat mereka mencoba menghindari jarum juga.

Seringkali, dokter menggunakan sampel darah untuk memeriksa penanda penyakit: antibodi yang menandakan infeksi virus atau bakteri, seperti SARS-CoV-2, virus yang bertanggung jawab COVID-19, atau sitokin yang menunjukkan peradangan yang terlihat pada kondisi seperti rheumatoid arthritis dan sepsis.

Biomarker ini bukan hanya tentang darah. Mereka juga dapat ditemukan di media cair padat yang mengelilingi sel kita, tetapi dalam kelimpahan rendah yang membuat mereka sulit dideteksi.

Sejauh ini.

Insinyur dari McKelvey School of Engineering di University of Washington di St. Louis telah mengembangkan patch microneedle yang dapat diaplikasikan pada kulit, menangkap biomarker yang menarik dan, berkat sensitivitasnya yang belum pernah terjadi sebelumnya, memungkinkan dokter mendeteksi keberadaan mereka.

Teknologi ini tidak mahal, mudah digunakan untuk dokter atau pasien sendiri, dan dapat menghilangkan kebutuhan untuk pergi ke rumah sakit hanya untuk kantong darah.

Penelitian, dari laboratorium Srikanth Singamaneni, Profesor Lilyan & E.Lisle Hughes di Departemen Teknik Mesin dan Ilmu Material, dipublikasikan secara online 22 Januari 2021, di jurnal Rekayasa Biomedis di Alam.

Selain biaya rendah dan kemudahan penggunaan, tambalan microneedle ini memiliki keunggulan lain dibandingkan darah, mungkin fitur yang paling penting bagi beberapa orang: “Hampir tidak menimbulkan rasa sakit,” kata Singamaneni.

Menemukan biomarker menggunakan patch microneedle ini mirip dengan tes darah. Tetapi alih-alih menggunakan solusi untuk menemukan dan mengukur biomarker dalam darah, mikroagulan menangkapnya langsung dari cairan yang mengelilingi sel-sel kita di kulit, yang disebut cairan interstitial dermal (ISF). Setelah biomarker ditangkap, mereka dideteksi dengan cara yang sama – menggunakan fluoresensi untuk menunjukkan keberadaan dan kuantitasnya.

ISF adalah sumber biomolekul yang kaya, padat dengan segala sesuatu mulai dari neurotransmitter hingga limbah seluler. Namun, untuk menganalisis biomarker di ISF, metode konvensional umumnya memerlukan ekstraksi ISF dari kulit. Metode ini sulit dan biasanya jumlah ISF yang dapat diperoleh tidak mencukupi untuk analisis. Ini telah menjadi kendala utama untuk mengembangkan teknologi biosensing berbasis microneedle.

Metode lain melibatkan penangkapan langsung biomarker di ISF tanpa harus mengekstrak ISF. Saat Anda datang ke konser yang penuh sesak dan mencoba untuk maju, biomarker harus bermanuver melalui sup ISF yang penuh sesak dan dinamis sebelum meraih mikroalga di jaringan kulit. Dalam kondisi seperti itu, tidak mudah untuk dapat menangkap biomarker yang cukup untuk dilihat menggunakan uji tradisional.

Tetapi tim tersebut memiliki semacam senjata rahasia: “plasmonic-fluors”, sebuah nanolabel fluoresensi ultrabright. Dibandingkan dengan label fluorescent tradisional, saat pengujian dilakukan pada patch microneedle dengan plasmonic-fluorine, sinyal dari biomarker protein target bersinar sekitar 1.400 kali lebih terang dan menjadi terdeteksi bahkan saat ada pada konsentrasi rendah.

“Sebelumnya, konsentrasi biomarker harus berada di urutan beberapa mikrogram per mililiter cairan,” kata Zheyu (Ryan) Wang, seorang mahasiswa pascasarjana di laboratorium Singamaneni dan salah satu penulis utama makalah tersebut. Ini jauh di luar jangkauan fisiologis dunia nyata. Tetapi dengan menggunakan fluorida plasmonik, tim peneliti mampu mendeteksi biomarker berdasarkan urutan pikogram per mililiter.

“Ini adalah urutan besaran yang paling sensitif,” kata Wang.

Tambalan ini memiliki banyak kualitas yang dapat memberikan dampak nyata pada pengobatan, perawatan pasien, dan penelitian.

Mereka memungkinkan penyedia untuk memantau biomarker dari waktu ke waktu, terutama penting dalam hal memahami bagaimana kekebalan berkembang pada penyakit baru.

Misalnya, peneliti yang mengerjakan vaksin COVID-19 perlu mengetahui apakah orang memproduksi antibodi yang tepat dan untuk berapa lama. “Mari kita hentikan,” kata Singamaneni, “dan lihat apakah orang tersebut memiliki antibodi terhadap COVID-19 dan pada tingkat apa.”

Atau, dalam keadaan darurat, “Saat ada yang mengeluh sakit dada dan dibawa ke rumah sakit dengan ambulans, semoga segera tambalan bisa diaplikasikan,” kata Jingyi Luan, siswa yang baru saja lulus dari laboratorium Singamaneni salah satu penulis utama jurnal. Alih-alih harus pergi ke rumah sakit dan mengambil darahnya, EMT dapat menggunakan patch microneedle untuk menguji troponin, biomarker yang mengindikasikan infark miokard.

Untuk orang dengan kondisi kronis yang membutuhkan monitor biasa, tambalan microneedle dapat menghilangkan perjalanan yang tidak perlu ke rumah sakit, menghemat uang, waktu dan ketidaknyamanan – sangat merepotkan.

Bercak hampir tidak menimbulkan rasa sakit. “Mereka memiliki sekitar 400 mikron di jaringan dermal,” kata Singamaneni. “Mereka bahkan tidak menyentuh saraf sensitif.”

Di laboratorium, penggunaan teknologi ini dapat membatasi jumlah hewan yang dibutuhkan untuk penelitian. Terkadang penelitian memerlukan beberapa pengukuran berturut-turut untuk menangkap refluks dan aliran biomarker – misalnya, untuk memantau perkembangan sepsis. Terkadang, ini berarti hewan yang sangat kecil.

“Kami dapat secara signifikan mengurangi jumlah hewan yang dibutuhkan untuk penelitian semacam itu,” kata Singamaneni.

Implikasinya sangat besar – dan lab Singamaneni ingin memastikan semua orang dieksplorasi.

Ada banyak pekerjaan yang harus dilakukan, katanya: “Kami akan menentukan batas klinis”, yaitu kisaran biomarker di ISF yang sesuai dengan tingkat normal versus abnormal. “Kami akan menentukan level biomarker mana yang normal, level mana yang patologis.” Dan kelompok penelitian mereka sedang mengerjakan metode pengiriman untuk jarak jauh dan kondisi yang sulit, memberikan pilihan untuk meningkatkan kesehatan pedesaan.

“Tapi kami tidak akan melakukan semua ini sendiri,” kata Singamaneni. Sebaliknya, teknologinya akan tersedia bagi para ahli di berbagai bidang kedokteran.

“Kami telah menciptakan teknologi platform yang dapat digunakan semua orang,” katanya. “Dan mereka dapat menggunakannya untuk menemukan biomarker minat mereka sendiri.”

Kami tidak harus melakukan semua ini sendiri

Singamaneni dan Erica L. Scheller, asisten profesor kedokteran di Divisi Penyakit Tulang dan Mineral Fakultas Kedokteran, telah bekerja sama untuk menyelidiki konsentrasi biomarker di jaringan lokal.

Pendekatan saat ini untuk penilaian semacam itu memerlukan isolasi jaringan lokal dan tidak memungkinkan untuk inspeksi selanjutnya dan berkelanjutan. Singamaneni dan Scheller mengembangkan platform yang lebih baik untuk mendapatkan monitor jangka panjang dari konsentrasi biomarker lokal.

Bekerja bersama

Srikanth Singamaneni, Profesor Lilyan E. Lisle Hughes di Departemen Teknik Mesin dan Ilmu Material, dan Jai S. Rudra, Asisten Profesor di Departemen Teknik Biomedis, telah bekerja sama untuk menjaga terhadap vaksin kokain, yang mereka kerjakan dengan memblokir kemampuan otak untuk masuk.

Kandidat saat ini untuk vaksin semacam itu tidak memberikan hasil jangka panjang; mereka membutuhkan dorongan yang sering. Singamaneni dan Rudra menginginkan cara yang lebih baik untuk menentukan kapan efek vaksin akan berkurang. “Kami telah menunjukkan bahwa kami dapat menggunakan tambalan untuk memahami apakah seseorang masih memproduksi antibodi yang diperlukan,” kata Singamaneni. “Pengambilan darah tidak perlu.”

Referensi: “Patch Mikroneedle untuk Kuantifikasi Ultrasensitif dari Biomarker Protein dalam Cairan Interstitial” oleh Zheyu Wang, Jingyi Luan, Anushree Seth, Lin Liu, Minli You, Prashant Gupta, Priya Rathi, Yixuan Wang, Sisi Cao, Qisheng Jiang, Xiao Zhang, Rohit Gupta, Qingjun Zhou, Jeremiah J. Morrissey, Erica L. Scheller, Jai S. Rudra dan Srikanth Singamaneni, 22 Januari 2021, Rekayasa Biomedis di Alam.
DOI: 10.1038 / s41551-020-00672-y

Penelitian ini didukung oleh National Science Foundation (CBET-1900277), dan oleh National Institutes of Health (R01DE027098, R56DE027924, R01CA141521, R21DA036663, R21CA236652).

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Topan Super Surigae menyulut Pasifik

19 April 2021 Topan super mencapai intensitas ekstrem setahun lebih banyak daripada badai era satelit mana pun. Surigae tidak akan mendarat, tetapi topan yang muncul di...

Mekanisme fotoenzim kunci yang diuraikan

Kesan artis tentang katalisis enzimatik yang diusulkan dalam mekanisme fotodekarboksilase asam lemak (Sains 2021). Kredit: Damien Sorigué Pengoperasian enzim FAP, yang berguna untuk memproduksi...

DOE Mendorong Investasi A.S. yang Agresif dalam Energy Fusion

Sinar laser energi tinggi NIF berkumpul di target di tengah kamera target. Keberhasilan mendapatkan penyalaan fusi akan menjadi langkah maju yang besar dalam...

Fisikawan menciptakan bit kuantum yang dapat mencari materi gelap

Sebuah qubit (persegi panjang kecil) dipasang pada tingkat kebiruan, yang berada di atas jari untuk menunjukkan skala. Ilmuwan di Farmland Universitas Chicago menggunakan...

Ahli paleontologi memperkirakan bahwa 2,5 miliar T. rex menjelajahi Bumi selama periode Kapur

Untuk semua mereka yang terlambatKapur Menurut sebuah studi baru, jumlah total tyrannosaurus yang pernah hidup di Bumi adalah sekitar 2,5 miliar individu, di mana...

Newsletter

Subscribe to stay updated.