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使用纳米技术增强的生物芯片检测到微小的疾病水平

发布时间:2020-02-01 23:27编辑:生命科学浏览(181)

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    循环肿瘤细胞捕获的石墨烯芯片研究 图片 3 a)所制备的用于临床实验的检测套盒;b)癌细胞在全血实验中的检测结果;c)临床检测中的白细胞背景数据;d)检测片上捕获的循环肿瘤细胞扫描电镜图;e)用于临床检测癌细胞与白细胞的荧光标准图。

    华盛顿哥伦比亚特区,2019年6月18日 - 根据美国癌症协会的数据,癌症几乎每个人都会以这种或那种方式接触到,而且令人遗憾的是,它将在2019年在美国再次夺去60万人的生命。来自圣地亚哥州立大学,TumorGen MDx Inc.和Sanford Burnham Prebys医学发现研究所的研究人员开始探索一个看似基本的问题:杀死癌症的原因是什么?

    发现在血液中循环的微量疾病的困难已被证明是在癌症的检测和治疗中的绊脚石,其以轻微的症状进行悄悄进展。通过一种新型电化学生物传感装置识别这些生物标记物发出的微小信号,一对新泽西理工学院的发明者希望弥合这一差距。

    循环肿瘤细胞,作为一种重要的癌症诊断标记物,是从肿瘤原发病灶脱落,进入血管中,传播到人体其他组织器官引起肿瘤扩散的细胞。研究发现,循环肿瘤细胞在血液转移是目前肿瘤扩散的最重要途径之一,与癌症的高死亡率息息相关。然而,循环肿瘤细胞在血液中的含量非常稀少,很难通过常规方法将循环肿瘤细胞从血液中分离出来并加以检测。因此,如何实现对循环肿瘤细胞的高效捕获与特异性分离,对于癌症的早期诊断与术后监测具有非常重要的意义。传统的循环肿瘤细胞的分离方法主要通过修饰特异性识别分子,并进一步调节材料表面纳米结构等因素,期望达到与循环肿瘤细胞进行分子识别和纳米尺寸相匹配的效果。然而,目前的分离效率和纯度都无法满足临床应用的标准。

    答案是,当肿瘤扩散到其他重要器官时,大约90%的癌症死亡是由于转移引起的。癌症如何转移?经过对科学文献的详尽搜索,研究人员意识到,它不是单个细胞,而是不同的癌细胞簇,它们循环并转移到其他器官。

    他们在疾病检测方面的工作说明了电子传感的力量 - 以及工程师在医学研究中日益重要的作用。

    近期,中国科学院理化技术研究所仿生智能界面科学实验室通过在分子识别和拓扑相互作用的基础上,设计具有多重匹配功能的生物界面材料,最终实现了对循环肿瘤细胞超高灵敏和高特异性检测。该研究阐述了多重匹配的界面特性,利用还原氧化石墨烯基底的表面修饰的抗体、粗糙结构和低硬度等特性,可以实现对循环肿瘤细胞超灵敏和特异性的捕获。更为重要的是,基底的超亲水性和负电性使其具有极低的非特异性粘附。利用化学氧化法将石墨进行氧化,通用真空过滤和加热还原的方法制备出具有粗糙结构的还原氧化石墨烯薄膜。该研究利用抗体修饰的还原氧化石墨烯基底与循环肿瘤细胞间的多重匹配作用,可以达到非常高的特异性识别捕获,同时具有极低的背景——在制备的每2平方厘米的还原氧化石墨烯基底上只能找到一个白细胞。这种方法已成功应用于临床,是一种简单方便且高灵敏的检测早期癌症的方法,对于癌症早期的诊断与研究具有非常重大的意义。

    正如该小组在AIP Advances报告的那样,这引起了他们的质疑 - 如果这些细胞群是癌症的根本原因,为什么没有更多的研究致力于更好地了解循环癌细胞群?

    理想情况下,会有一个简单,便宜的测试 - 在没有特定症状的情况下定期就诊时进行 - 以筛查一些更沉默,致命的癌症,最近获得博士学位的Bharath Babu Nunna说。 。与机械工程助理教授Eon Soo Lee一起工作的毕业生开发了一种纳米技术增强型生物芯片,用于通过针刺血液测试在发病早期检测癌症,疟疾和病毒性疾病,如肺炎。

    相关研究结果发表在国际材料期刊《先进材料》。随后国际科学媒体Nanowerk和X-MOL分别以Reducedgrapheneoxideplatformshowsextremesensitivitytocirculatingtumorcells和《抗体修饰的还原氧化石墨烯薄膜用于循环肿瘤细胞高灵敏性的检测》为题对该研究进行了报道。

    这种极少研究活动的原因是从病人的血液样本中捕获这些极为罕见的转移性癌细胞簇的巨大困难,桑福德伯纳姆医学发现研究所的作者之一和研究助理教授Peter Teriete说。但我们意识到,如果我们要了解癌症转移的复杂过程,我们需要开发一种工具来轻松找到这些簇。

    他们的设备包括一个微流体通道,通过该通道,少量抽取的血液流过覆盖有生物制剂的传感平台,生物制剂与血液,泪液和尿液等体液中的目标生物标志物结合,从而触发电子纳米电路,发出信号。存在。

    相关研究工作得到科技部国家重点基础研究计划、国家自然科学基金项目、国家自然科学基金重大项目、国家高技术研究发展计划的大力支持。

    为此,研究人员首先确定了从分离的癌细胞群中收集有用信息所必需的基本要求。它涉及的样本量足够大,可能含有相当数量的癌细胞簇(约10毫升全血),以及使用全血来保存稀有的循环簇。然而,全血需要通道涂层程序,其降低非特异性结合特性以防止生物污损。并且装置通道尺寸必须具有合适的尺寸以适应不同直径的单细胞和癌细胞簇。

    在最近发表于NanoCovergence的研究中,Nunna和他的合着者证明了使用金纳米粒子来增强其设备在癌症检测中的传感器信号响应,以及其他研究结果。

    我们的设备通道设计必须产生微流体流动特性,适合通过涂层通道内的抗体促进细胞捕获,Teriete解释说。因此,我们引入了微观特征

    该设备的核心创新之一是能够在其微流体通道中分离血浆和全血。血浆携带疾病生物标志物,因此有必要将其分离以增强信噪比以实现高度准确的测试。独立设备可在两分钟内分析血液样本,无需外部设备。

    • 人字形凹陷 - 以产生所需的功能。我们还开发了一种独特的海藻酸盐水凝胶涂层,可以很容易地用抗体或其他生物分子进行装饰。通过将生物工程与材料科学和基本癌症生物学相结合,我们能够开发设备并证明它能够按预期运行。

    我们的方法在毫微微级浓度下检测目标疾病生物分子,其小于纳米甚至微微尺度,并且类似于在星系团中寻找行星。电流感测技术仅限于浓度大一千倍。纳米级平台使我们能够识别这些较低水平的疾病,Nunna说,并补充说,通过将血浆与血液分离,我们能够集中疾病生物标志物。

    该组的微流体装置为抗癌转移提供了新的治疗策略。直接从癌症患者捕获可行的循环癌干细胞簇是开发新的抗转移药物疗法的新方法。

    在BioNanoScience最近的另一篇论文中,Nunna,Lee和他们的合作者详细介绍了他们对基于微流体流动的灵敏度变化的研究结果。

    由于缺乏足够的工具可以轻易进入导致癌症传播的转移细胞,因此特别针对远处转移的药物开发受到很大限制,Teriete说。我们的微流体装置将为癌症研究人员提供真正的人类癌症细胞群,因此他们可以开始了解转移相关的关键机制并开发出能够挽救更多癌症患者生命的高效药物。

    Nunna现在是哈佛医学院,在那里,他正在扩展其在微流体平台他的专业知识的博士后研究员,在使用这些器官上的芯片研究与苏Ryon申,在医学院的部门首席研究员和讲师进行开发3D生物打印的类器官的医学

    • 由结构化水凝胶内的培养细胞组成的人造器官 - 用于医学实验。

    我主要负责开发微流体装置,这将自动化生物打印3D器官的过程,这些装置将被纳入芯片中,用于多种用途。例如,我的任务是开发一个长期自动化平台用于跟踪肝癌和心脏生物标志物的药物疗效和毒性分析。我将整合微流体生物传感器与肝癌和心脏芯片模型进行连续监测,他说。

    通过测量注射药物的3D生物打印器官分泌的生物标志物浓度,我们可以研究药物对几种器官的影响,而不会伤害活体患者。创造人造器官使我们能够自由地进行实验。

    他补充说,在路上,哈佛大学的工作可能会应用于再生医学。目标是开发功能齐全的3D生物打印的类器官和临床相关的3D组织,以解决移植中供体短缺的问题。

    Nunna说他在哈佛医学院的研究将扩展他对可编程微流体和精确电化学传感技术的了解,这将有助于他推进他的生物芯片技术。目标是一种简单,标准的癌症诊断分析,避免了传统的复杂诊断步骤。

    Lee和Nunna一直与Weill Cornell Medicine和Hackensack Medical Center的肿瘤学家合作,以确定临床应用。按照目前的设计,该装置将提供血液样本中癌症抗原的定性和定量结果,提供有关癌症存在和严重程度的信息。他说,他们的下一步将是扩大平台,使用针刺刺获的单一血液样本来检测多种疾病。

    尽管医疗保健技术被认为是一项快速发展的技术,但仍有许多未满足的需求需要解决。在早期阶段诊断潜在的致命疾病是挽救生命和改善患者治疗效果的关键,他说,补充说:医疗保健技术存在巨大需求,包括可在医生办公室和其他医疗点设置提供即时结果的通用诊断平台。

    Nunna是Abonics,Inc。的联合创始人兼首席研究科学家,该公司是由Lee组建的一家创业公司,将其设备商业化。他被任命为李的共同发明人,获得了三项已发布的生物芯片专利和另外六项专利,这些专利正由美国专利商标局审核。他们的技术得到了美国国家科学基金会I-Corps项目和新泽西州健康基金会(NJHF)的资金支持,这是一家非盈利性公司,支持新泽西州的顶级生物医学研究和健康相关教育项目。

    正如我们所知,早期发现可以显着改善患者的治疗效果,NJHF副主席兼首席执行官George F. Heinrich博士在宣布该奖项时说。目前,医生依靠的诊断设备需要通过集中诊断中心而不是当地办事处进行至少四小时的样本制备。

    2017年,Nunna在国立卫生研究院总部举行的医学和生物学工程学会的医疗保健创新和医疗点技术会议上获得医疗创新和医疗点创新奖的最佳设计奖在马里兰州贝塞斯达。同年,该技术在TechConnect世界创新大会暨博览会上获得了国家创新奖,这是技术转让办公室,公司和投资公司的年度聚会,他们聚集在一起,以确定来自全球的有前景的技术。

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