Uma das fronteiras do diagnóstico médico é a corrida por exames de sangue mais sensíveis. A capacidade de detectar proteínas extremamente raras pode fazer uma diferença vital para muitas condições, como a detecção precoce de certos tipos de câncer ou o diagnóstico de lesão cerebral traumática, onde os biomarcadores relevantes aparecem apenas em pequenas quantidades.

Abordagens comerciais para detecção ultrassensível de proteínas estão começando a se tornar disponíveis, mas são baseados em óticas caras e manipuladores de fluidos, o que os torna relativamente volumosos e caros e restringem seu uso a ambientes de laboratório.

Saber que ter este tipo de sistema de diagnóstico disponível como um dispositivo de ponto de atendimento seria crítico para muitas condições, especialmente lesão cerebral traumática, engenheiros da Universidade da Pensilvânia desenvolveram um teste que usa componentes prontos para uso e pode detectar proteínas individuais com resultados em questão de minutos, em comparação com o fluxo de trabalho tradicional, o que pode levar dias.

Usando uma câmera de celular padrão e um conjunto de luzes LED estroboscópicas, combinado com geradores de gotículas microfluídicas de seu laboratório, a equipe desenvolveu um sistema que é mil vezes mais sensível do que o ensaio de proteína padrão, é portátil, e consideravelmente menos caro do que os atuais testes de proteína única de última geração que chegam ao mercado pela primeira vez.

Os pesquisadores, liderado por David Issadore, professor assistente no Departamento de Bioengenharia da Penn Engineering, e o estudante de graduação Venkata R. Yelleswarapu, demonstraram seu sistema em um estudo publicado no Proceedings of the National Academy of Sciences .

O ensaio de detecção de proteína padrão, ELISA, envolve anexar anticorpos às proteínas em questão, em seguida, medir o quanto a cor da amostra muda em resposta às enzimas ligadas aos anticorpos. Este processo é rápido e simples o suficiente para ser incorporado em dispositivos de ponto de atendimento, como testes de HIV em casa, mas só funciona quando as proteínas estão em grandes concentrações.

Atualmente, existem poucos biomarcadores para lesão cerebral traumática, porque muito poucos marcadores de proteína dessas lesões passam pela barreira hematoencefálica. Pesquisadores médicos só recentemente confirmaram que tais marcadores poderiam ser usados ​​para um exame de sangue, e dadas suas concentrações ultrabaixas, esse teste precisaria ser muito mais sensível do que a matriz ELISA padrão.

"Mil vezes mais sensível, '"Issadore diz, "queremos dizer que se tivéssemos um frasco de sangue com apenas algumas das proteínas relevantes, podemos contar com precisão essas proteínas, ao passo que um teste tradicional não poderia dizer com segurança a diferença entre aquele frasco de sangue e outro sem nenhuma proteína nele. Conforme você continua aumentando o número de proteínas, o teste tradicional acabará sendo capaz de detectá-los, mas podemos quantificar o número de proteínas em concentrações mil vezes menores do que elas. "

A abordagem de Issadore funciona medindo uma proteína de cada vez, dividindo a amostra em microgotículas, cada um dos quais contém uma única proteína ou nenhuma. A experiência de seu laboratório em microfluídica produziu microchips gravados com centenas de geradores de microgotículas, todos trabalhando em paralelo.

"Normalmente, você teria que medir com muita precisão o quanto uma amostra muda de cor ou fluorescência, mas aqui estamos transformando isso em dezenas de milhões de perguntas sim ou não, "Issadore diz." A digitalização dessa pergunta reduz o custo da câmera e do equipamento de manuseio de fluidos ao redor, mas muda o problema para como processar dezenas de milhões dessas questões, de uma forma que seja reproduzível, preciso, barato e portátil. "

Embora uma câmera pronta para uso possa detectar se uma microgotícula contém uma proteína ligada a um marcador fluorescente ou não, o grande desafio era agilizar o processo. Os detectores de gotas digitais existentes alinham as gotas para que possam ser medidas uma de cada vez. Esses sistemas são precisos, mas volumoso e caro. Eles também têm rendimento limitado, devido à necessidade de observar milhões de gotas, uma de cada vez.

"Mil gotas por segundo, a taxa de transferência de tecnologias convencionais, ainda é muito lento se você precisa medir 50 milhões, "Yelleswarapu diz.

Em vez de ter um único canal, os pesquisadores fazem o fluxo de gotas em centenas de canais que passam pela câmera ao mesmo tempo. O gargalo, Contudo, é a rapidez com que uma câmera pode capturar os dados.

"Convencionalmente, isso não funcionaria, pois o tempo de exposição que você obteria de uma câmera normal é tal que os sinais de duas gotas próximas uma da outra se sobrepõem, "Yelleswarapu diz." Uma câmera de celular tira cerca de cem imagens por segundo, e isso é muito lento para ser útil para resolvermos essas gotículas. Mas você pode usar essa câmera se a fonte de luz que você está usando para iluminar as gotas estroboscópicas mil vezes mais rápido do que a taxa de quadros da câmera. "

O truque que faz a abordagem da equipe de Issadore funcionar era codificar essa luz estroboscópica com um sinal que permitiria separar uma microgotícula de suas vizinhas.

"Estamos piscando a luz em um padrão muito específico que nunca se repete, que é uma técnica que pegamos emprestada do radar, "Issadore diz." À medida que os sinais passam pela tela, eles são impressos com este código de barras. Portanto, embora eles se sobreponham, podemos distingui-los por qual pulso estroboscópico iluminou cada gota. "

O grupo de Issadore publicou anteriormente sobre marcadores de lesão cerebral traumática, e tem um projeto de pesquisa em andamento com o Hospital Presbiteriano com pacientes com lesão cerebral. Eles também têm uma empresa spin-off, Chip Diagnostics, baseado no Pennovation Center, que visa produzir kits de teste para diagnóstico precoce de câncer e lesão cerebral traumática.