微流控设备可以在几分钟内诊断败血症

麻省理工的研究人员发明的一种微流体装置可以帮助医生在大约25分钟内自动检测败血症生物标记物浓度升高，而且只需刺破手指取少量的血就可以检测了——败血症是美国医院患者死亡的主要原因之一。

对医生来说，时间就是生命，自动化系统可以检测出潜在威胁生命状况的早期生物标志物。

Rob Matheson | MIT News Office July 23, 2019

http://news.mit.edu/2019/biosensor-diagnose-sepsis-minutes-0723

由麻省理工学院研究人员设计的一种新型传感器可以显着加速败血症的诊断过程。败血症是美国医院每年导致近25万名患者死亡的主要死因。

当身体对感染的免疫反应引发全身炎症链反应，导致心率加快、高烧、呼吸急促等问题时，就会发生败血症。如果不加以控制，它会导致败血性休克，从而导致血压下降和器官衰竭。传统上医生依赖各种诊断工具来诊断败血症，包括生命体征，血液测试，其他成像和实验室测试。

近年来，研究人员在血液中发现蛋白质生物标记物是败血症的早期指标。一种很有希望的候选者是白细胞介素-6（IL-6），一种在炎症反应中产生的蛋白。在败血症患者中，IL-6水平可以在其他症状出现前数小时升高。即使IL-6会出现高水平的症状，但是血液中这种蛋白质的浓度总体上也过低，传统的检测设备无法快速检测到它。

在本周医学与生物学工程会议上发表的一篇论文中，麻省理工学院的研究人员描述了一种基于微流体的系统，它可以在大约25分钟内自动检测临床上显着水平的IL-6用于败血症的诊断，而且只需刺破手指取少量的血就可以检测了。

在一个微流控通道中，含有抗体的微珠与血液样本混合以捕获IL-6生物标记物。在另一个通道中，只有包含该生物标记物的珠子附着在电极上。通过电极的运行电压为每个带有生物标志物的珠粒产生电信号，然后将其转换为生物标志物浓度水平。

研究报告的第一作者、机械工程系博士生Dan Wu说：“对于像败血症这样的急性疾病，进展非常迅速，而且可能危及生命，建立一个系统来快速测量这些不具备生物标记物的系统是很有帮助的。随着疾病的发展，你也可以频繁地对其进行监测。”

论文的其他作者包括：电子工程与计算机科学系副主任、医学电子器件实现中心联合主任、电子学研究实验室和微系统技术实验室的首席研究员Joel Voldman。

综合自动化设计

传统的检测蛋白质生物标记物的方法是体积庞大、价格昂贵的机器，只能放到实验室里，需要大约1毫升的血液，并在几个小时内产生结果。近年来，人们开发了便携式的“定点护理”系统，利用微量血液在大约30分钟内获得类似的结果。

但由于大多数使用昂贵的光学元件来检测生物标记物，所以定点医疗系统可能非常昂贵。它们也只捕获少量的蛋白质，其中许多是血液中含量较丰富的蛋白质。任何降低价格、减少成分或增加蛋白质含量的努力都会对其敏感性产生负面影响。

在他们的工作中，研究人员希望将实验室中常用的磁珠分析法的成分压缩到大约几平方厘米的自动微流体装置上。这就需要在微米大小的通道中操纵珠子，并在微系统技术实验室制造一个装置来自动进行流体的运动。

珠子表面涂有抗体以吸引IL-6，以及一种叫做辣根过氧化物酶的催化酶。珠子和血样被注入装置，进入一个“分析物捕获区”，这基本上是一个循环。沿着回路是一个蠕动泵——通常用于控制液体——阀门由一个外部电路自动控制。以特定的顺序打开和关闭瓣膜，使血液和珠子循环，使它们混合在一起。大约10分钟后，IL-6蛋白与珠子上的抗体结合在一起。

此时自动重新配置阀门会迫使混合物进入一个更小的回路，称为“检测区”，在那里它们会被困住。一个微小的磁铁将珠子收集起来进行短暂的清洗，然后再将它们释放出来。大约10分钟后，许多珠子粘在一个电极上，电极上涂有一种能吸引IL-6的单独抗体。在那个时候，溶液流进回路，清洗掉没有系住的珠子，而带有IL-6 蛋白的那些留在电极上。

该溶液携带一种特殊的分子，该分子与辣根酶起反应，产生一种对电起反应的化合物。当电压施加到溶液中时，每一个剩馀的磁珠都会产生一个小电流。一种常用的化学技术叫做“电流滴定法”，它将电流转换成可读的信号。该装置对信号进行计数并计算IL-6的浓度。

“最后，医生只需用移液管输入血液样本。然后，他们按下一个按钮，然后25分钟后他们就知道了IL-6的浓度，”吴博士说。

该设备使用大约5微升的血液，大约是从刺破的手指上抽取的血液体积的四分之一，以及在实验室检测中检测蛋白质生物标记物所需的100微升血液的一小部分。该装置捕获每毫升低至16微微克的IL-6浓度，这是低于败血症的信号浓度，这意味着该设备是足够敏感，以提供临床相关的检测。

一个通用的平台

目前的设计有八个独立的微流体通道，可以同时测量许多不同的生物标志物或血液样本。不同的抗体和酶可以在不同的通道中检测不同的生物标志物，或者不同的抗体可以在同一通道中同时检测多个生物标志物。

吴博士说：“接下来，研究人员计划建立一个重要的败血症生物标记物小组，包括白细胞介素-6，白细胞介素-8，C-反应蛋白和降钙素原。但是这种设备可以测量多少种不同的生物标记物，对任何疾病都没有限制。”值得注意的是，美国食品和药物管理局已经批准了200多种不同疾病和条件的蛋白质生物标志物。

吴博士说“这是一个非常普遍的平台。如果你想增加设备的物理足迹，你可以扩大规模，设计更多的通道来检测你想检测的生物标志物。”

这项工作是由 Analog Devices， Maxim Integrated，和诺华生物医药研究所（Novartis Institutes of Biomedical Research）资助。

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