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Analisi del sangue in dieci minuti
La misurazione delle proteine nel sangue può aiutare i medici a determinare il rischio di cancro dei pazienti e a monitorare la salute degli anziani e delle persone con malattie croniche. Ma i metodi attuali per testare queste proteine sono troppo costosi e richiedono troppo sangue per essere eseguiti regolarmente. Un chip microfluidico negli studi clinici esegue su un singolo chip in 10 minuti ciò che normalmente richiede ore a più tecnici e con una sola goccia di sangue. I ricercatori sperano di trasformare in realtà la diagnostica al capezzale basata sulle proteine del sangue abbattendo il costo di tali test almeno di un ordine di grandezza.
Puntura del dito alle proteine: Un chip microfluidico identifica 35 proteine in una goccia di sangue entro 10 minuti. L'intero processo di analisi viene eseguito sul chip. Innanzitutto, le cellule del sangue vengono separate dal siero ricco di proteine, che viaggia lungo i canali stretti. Questi canali sono rivestiti con codici a barre che catturano le proteine che si illuminano al microscopio a fluorescenza se la goccia di sangue conteneva la proteina di interesse.
Il chip diagnostico è stato sviluppato dal professore di chimica Caltech James Heath e da Leroy Hood , il presidente e fondatore dell'Institute for Systems Biology, a Seattle. Heath e Hood hanno fondato una società chiamata Integrated Diagnostics per commercializzare il chip sanguigno.
Le proteine del siero forniscono un'incredibile finestra sulla biologia della malattia, afferma Paolo Mischel , professore di patologia all'Università della California, Los Angeles. Ma oggi il test per una proteina del sangue costa circa $ 500 e questi test richiedono da 10 a 15 millilitri di sangue e più visite dal medico.
Abbiamo deciso di rendere le cose a buon mercato: costa un nichelino per proteina, dice Heath del dispositivo attuale. Tali test rapidi ed economici che richiedono solo una goccia di sangue dovrebbero consentire ai medici di monitorare più proteine più frequentemente, consentendo la diagnosi precoce di malattie come il cancro e una migliore assistenza preventiva per gli anziani. La nuova diagnostica dovrebbe anche essere più accurata, afferma Heath. I campioni di sangue tradizionali rimangono per ore o addirittura giorni prima che il processo di misurazione sia completato, lasciando molto tempo per degradarsi.
Il dispositivo di Heath e Hood, descritto nel numero di questa settimana di Biotecnologie naturali , avvia il processo di analisi con alcune semplici operazioni di microfluidica. Una goccia di sangue viene trascinata in un canale su microscala mediante l'applicazione di una piccola pressione esterna. Questo primo canale si dirama in quelli più stretti, che escludono le cellule del sangue e ammettono il siero sanguigno ricco di proteine. Negli esami del sangue tipici, questa fase di separazione richiede una centrifuga.
I canali più stretti sono modellati con ciò che Heath chiama un codice a barre proteico: linee di DNA legate ad anticorpi che catturano le proteine di interesse dal siero. Dopo che il siero e le cellule sono stati eliminati, gli anticorpi legati alle proteine fluorescenti rosse vengono iniettati, illuminando le proteine del sangue catturate. I codici a barre delle proteine possono essere letti con un microscopio a fluorescenza o uno scanner per chip genetici. L'identità delle proteine del sangue catturate può essere determinata dalla posizione delle linee rosse nel codice a barre rispetto a una linea di riferimento fluorescente verde.
Misurando la quantità di luce irradiata dal punto di una particolare proteina nel codice a barre, Heath e Hood possono quantificarne la concentrazione nel sangue. Heath osserva che il chip può misurare le proteine del sangue presenti in un ampio intervallo di concentrazione, rendendo possibile misurare non solo le abbondanti proteine del sangue create dal sistema immunitario, ma anche proteine più rare originate da organi come il cervello. Il dispositivo è sensibile quanto i test proteici convenzionali e Heath e Hood possono misurare qualsiasi proteina a cui sono interessati realizzando chip personalizzati con gli anticorpi giusti.
Mentre altri gruppi si sono concentrati sulle proteine create da molti organi, rendendo i risultati difficili da interpretare, dice Hood, stiamo sviluppando una strategia per identificare le proteine del sangue che sono specifiche per gli organi. Hood dice che il suo gruppo sta attualmente usando la spettrometria di massa per scoprire proteine specifiche per il fegato e il cervello.
Nel loro articolo pubblicato, i ricercatori descrivono l'uso dell'analisi del sangue per determinare il livello di rischio delle persone con cancro al seno e alla prostata. Heath afferma che il chip è stato testato in studi clinici che coinvolgono sia malati di cancro che individui sani. Gli studi su pazienti sani che il gruppo sta attualmente conducendo sarebbero poco pratici utilizzando tecnologie che richiedono un ampio prelievo di sangue, ma utilizzando i chip, Heath afferma che è possibile misurare le proteine del sangue più volte al giorno. I ricercatori stanno usando i frammenti di sangue per monitorare come la dieta e l'esercizio fisico influenzano la composizione delle proteine del sangue.
Questi dispositivi dovrebbero portare a una diminuzione dei costi e a un incredibile beneficio per i pazienti, afferma Emil Kartalov , professore di patologia presso la Keck School of Medicine della University of Southern California. Kartalov, che non sta collaborando con Heath e Hood, sta sviluppando chip simili e ha sviluppato alcuni dei metodi di separazione utilizzati sul chip di sangue. Kartalov afferma che il lavoro di Heath e Hood è un importante passo avanti, ma che affinché questi chip entrino davvero nel campo, dovranno andare oltre le proteine fluorescenti. I microscopi fluorescenti sono troppo costosi e troppo ingombranti per essere trasportati sul campo di battaglia o nelle case dei pazienti. Kartalov afferma che la diagnostica futura probabilmente sostituirà le proteine fluorescenti con proteine cariche, poiché misurare i cambiamenti nella corrente elettrica è molto più semplice e pratico.