Группа международных ученых из Технологического университета Наньян в Сингапуре (NTU Singapore), больницы Тан Ток Сенг (TTSH) в Сингапуре и Массачусетского технологического института (MIT) разработала простой метод извлечения крошечных биологических частиц из крови человека и использовать их в качестве биомаркеров для оценки состояния кровеносных сосудов.
Биомаркеры – это наноразмерные частицы, называемые внеклеточными везикулами (EV), которые выделяются определенными клетками в кровоток. Их работа заключается в транспортировке биоматериалов, таких как белки и нуклеиновые кислоты, из одной клетки в другую.
В статье, опубликованной в июне 2021 года в Королевском химическом обществе – лаборатория на чипе, команда показала, что в образцах крови нескольких пациентов с диабетом было аномально высокое количество циркулирующих ЭВ, секретируемых иммунными и тромбоцитарными клетками (в 10-50 раз больше). , по сравнению с другими больными диабетом.
В лабораторных экспериментах команда обнаружила, что, когда эти ЭМ (взятые у шести пациентов с высоким счетом ЭВ) были добавлены к сосудистым клеткам, они индуцировали более высокие уровни маркеров сосудистого воспаления. Результаты показывают, что пациенты с высоким уровнем ЭВ в крови могут подвергаться более высокому риску развития сосудистых осложнений в долгосрочной перспективе.
О результатах доложила междисциплинарная группа под руководством доцента Хоу Хан Вэй из Школы механической и аэрокосмической инженерии и президента НТУ профессора Субра Суреш в сотрудничестве с доцентом НТУ по материаловедению и инженерии Далтоном Тей, доцентом Ринку Далан, старшим Консультант по эндокринологии, TTSH, старший научный сотрудник Массачусетского технологического института и приглашенный профессор НТУ, д-р. Мин Дао.
В своей исследовательской работе команда объяснила, как их прототип "лаборатория на кристалле" может автоматически отделять ЭМ от образцов крови за час – примерно в пятую часть обычного времени, необходимого при использовании обычных методов центрифугирования.
Как работает новый чип
Именованный "ExoDFF" (Выделение экзосом с использованием потокового фракционирования Дина) микрожидкостный чип сначала отправляет образец крови через спиралевидный канал с высокой скоростью.
Основываясь на центробежных и инерционных эффектах – движении жидкости и гидродинамических силах, действующих на частицы в жидкости – более крупные клетки крови отделяются в одном направлении, в то время как более мелкие ЭМ будут течь быстрее и направляются к другому выходу для сбора.
Текущий глобальный эталон для отделения ЭМ от крови с помощью ультрацентрифугирования занимает много времени (до пяти часов) и захватывает очень мало ЭМ из образца крови. Это также трудоемко и нестандартизировано, поскольку в разных лабораториях используются разные протоколы извлечения и очистки электромобилей.
Для сравнения, использование чипа ExoDFF позволяет объединить процесс разделения и обогащения электромобилей в один этап и не требует специальных знаний, – сказал профессор Хоу, преподаватель Медицинской школы NTU Lee Kong Chian.
"Мы тесно сотрудничали с нашим партнером-клиницистом TTSH, чтобы гарантировать, что одноэтапное управление чипом – это все, что необходимо для легкого извлечения электромобилей для анализа. Микрофлюидика теперь является зрелой технологией, и благодаря нашему глубокому опыту в этой области мы можем легко разработать уникальные микрофлюидические решения для выделения различных клеток и биомаркеров из крови человека," говорит Асс-профессор Хоу, который ранее изобрел лабораторию на чипе для анализа состояния иммунной системы человека в 2019 году.
Возможное влияние инноваций
Более 422 миллионов человек в мире страдают диабетом, а в Сингапуре 10 процентов его населения (более 400 000) страдают метаболическими заболеваниями, в то время как на сердечно-сосудистые заболевания приходится около 31% смертей во всем мире, включая Сингапур.
Доцент Ринку Далан, которая также является адъюнкт-профессором Медицинской школы Ли Конг Чиан, сказала:, "Сердечно-сосудистые заболевания (ССЗ) составили 18.6 миллионов смертей во всем мире в 2019 году, из которых 58% произошли в Азии. Несмотря на значительные успехи в лечении, смертность и заболеваемость, связанные с атеросклерозом, остаются высокими."
"Нам нужны методы для классификации потенциального риска для нашего диабета и других пациентов из группы высокого риска задолго до того, как артерии будут серьезно повреждены, чтобы мы могли разработать профилактические методы. У этого нововведения есть потенциал для раннего обнаружения риска, чтобы превентивные методы затем могли помочь ограничить прогрессирование повреждения кровеносных сосудов.
"Это нововведение особенно полезно, поскольку оно совпадает с разработкой новых противовоспалительных средств, таких как канакинумаб, который может предотвращать сердечно-сосудистые заболевания у этих пациентов, а также других лекарств, специфичных для диабета, таких как ингибиторы SGLT2, которые могут оказывать определенные защитные эффекты для сердце. Эти лекарства затем можно назначать пациентам, у которых выявлен более высокий риск развития сердечно-сосудистых заболеваний. Устройство также может быть использовано для оценки воздействия терапевтических средств на артерии."
Профессор Субра Суреш, также первый заслуженный профессор НТУ, сказал: "Возможность выявлять пациентов с диабетом, у которых наблюдается усиление сосудистого воспаления, может дать врачам преимущество в лечении сердечно-сосудистых заболеваний на ранних стадиях, прежде чем они перерастут в более серьезное состояние, требующее более инвазивного лечения с использованием стентов или хирургического вмешательства."
В настоящее время чип разделения EV может обрабатывать до 5 мл крови за час. Поскольку конструкция ExoDFF является масштабируемой, недорогой (производство каждого чипа будет стоить всего несколько долларов) и не требует каких-либо химикатов, ее можно спроектировать для обработки больших объемов образцов или адаптировать для использования в производстве электролизеров или электролизеров. методы лечения, такие как терапия стволовыми клетками.
Команда надеется разработать автоматизированный и меньший "размером с принтер" версия аппарата для клинического и исследовательского использования.
Команда также планирует провести больше экспериментов на большей выборке пациентов, чтобы дополнительно подтвердить свою гипотезу об использовании электромобилей в качестве нетрадиционных биомаркеров для стратификации риска пациентов с диабетом.