JavaScript is currently disabled.Please enable it for a better experience of Jumi.
Labb på ett chips kan diagnostisera sjukdomar från blodförgiftning till fågelinfluensa, skriver Stefano Lo Priore på ST Microelectronics.
Stefano Lo Priore har arbetat på ST Microelectronics sedan 1996, i Italien och USA. Han har flera patent inom mikrofluidik och halvledartillverkning. Sedan 2003 har han ansvaret för labbchipsplattformen In-Check, och arbetar globalt med att utveckla tillämpningar för denna plattform i samarbete med kunderna.
Mikroelektromekaniska system (Mems), i form av DNA-labb på chips, börjar spela en nyckelroll bland instrument för snabba analyser av mikrobiologiska prov. Chipslabben integrerar elektriska, mekaniska och biologiska element, och tack vare mikroflödesteknik kan de hjälpa till att utföra viktig klinisk diagnostik snabbare, mer behändigt och mer ekonomiskt än tidigare.

ImageMikroelektromekaniken är precis som halvledartekniken ytterst attraktiv eftersom den gör det möjligt att tillverka hundratals exakta, repeterbara kretsar med hjälp av ytterst välkontrollerade processer; i stort sett samma processer som används för produktion av kiselchips. Faktum är att dagens systemorienterade mikroelektroniska teknologier gör det möjligt att integrera kompletta system, inklusive mekaniska sensorer och gränssnittskretsar, på ett och samma chips.

ST Microelectronics utnyttjar Mems-teknologi för att jämföra DNA-prov i syfte att detektera ett antal olika patogener och utföra annan klinisk diagnostik snabbt, enkelt och till låg kostnad. Denna teknologi kommer säkert att finna användning i applikationer inom områden som veterinärmedicin, livsmedelskontroll och biologiskt försvar. Idag utförs sådana analyser med kostsamma och utrymmeskrävande instrument i molekylärbiologiska laboratorier och diagnostikcentra.

Hjärtat i STs ansats är en Mems-baserad engångskassett som fungerar som ett chipsbaserat DNA-lab. Kassetten, kallad In-Check, arbetar med en mikroflödesteknik som utvecklats för bläckstråleskrivare. Den innehåller en bank av mikroskopiskt små kanaler, var och en 30 x 200 µm stor, som ligger begravd i kislet. Under analysen fylls kanalerna med ett okänt DNA-prov samt DNA-primers som används för att odla, eller föröka, provmängden till en användbar kvantitet med hjälp av en process kallad PCR (polymerase chain reaction). PCR-processen utgår från ett prov med ett fåtal DNA-strängar och replikerar dessa till miljontals identiskt lika strängar. Detta ger avsevärda fördelar jämfört med dagens metoder, som ofta behöver börja med ett mycket större prov som kan vara dyrare att anskaffa och extrahera.

Nyckeln till PCR-processen är elektriska uppvärmningselement som finns inbyggda i kislet och som används för att upphetta kanalerna. Med hjälp av elementen cyklas DNA-blandningen genom tre exakta temperaturer. Det förstärkta DNA-samplet flyttas därefter över till biochipets detekteringsarea, som innehåller kända - och kanske matchande - DNA-fragment. Matchande DNA detekteras genom att man belyser elektroderna med en laser och ser hur de fluorescerar. För att ytterligare automatisera processen utvärderas även en mekanism som använder elektromekanisk detektering istället för optisk.

Den portabla, fluorescensbaserade optiska läsaren ansluts till en pc, som analyserar mikromatrisen (en miniatyriserad matris med flera unika DNA-sekvenser) på några sekunder.

Ett chips används för varje test, som typiskt tar mindre än en timme att genomföra. Eftersom plattformen In-Check använder en mikromatris kan varje test utvärdera flera olika DNA-strängar med mycket reproducerbara testresultat. Ett system för temperaturkontroll ger möjlighet att använda fem oberoende kassetter. Känsligheten hos In-Check är beroende av faktorer som applikationen, DNA-strängarnas längd och vilken metod som används för att preparera samplen.

Alla kemiska reaktioner äger rum i själva biochipset, och eftersom den kassett som innehåller chipset är av engångstyp ger denna metod mindre risk för korskontamination än vad konventionella instrument ger.

Eftersom systemet använder mycket mindre mängder av de kostsamma kemiska reagenserna är det också mindre kostsamt att använda. Förutom kassetten med chipset består systemet av en uppsättning instrument, inklusive en styrenhet och en läsare som vägleder operatören genom ett antal nyckelsteg.

Biochips ger viktiga fördelar jämfört med traditionella diagnostikmetoder när det gäller hastighet och noggranna testresultat. Med biochips kan resultaten fås fram på minuter, istället för på timmar eller dagar. I vissa fall kan traditionella viruskulturer behöva upp till en vecka innan det går att få användbara resultat. Noggrannheten som kan uppnås med biochips är också mycket högre.

Ett av de många viktiga skäl som finns att använda biochips i medicinska applikationer är att läkarna snabbt kan sätta in rätt fokuserade behandlingar. Detta kan ha mycket stor betydelse för att förhindra spridning av sjukdomar.

Ett exempel är en ny tillämpning för labbchips för DNA-baserad detektering av bakterier som orsakar sepsis (blodförgiftning). Här används en diagnostikpanel från företaget Mobidiag som körs på ST:s plattform. Plattformen är värdsystem för en patogen panel som kan identifiera tio sepsisorsakande bakteriearter samt methicillin-resistenta stammar av Staphylococcus aureus ur kulturprov av positivt blod. Diagnostikpanelen har konstruerats för att optimera valet av antibiotikaterapi i kombination med resultaten från gramfärgning, som är en empirisk, jämförande metod för att åtskilja bakteriearter.

De mycket noggranna och snabba resultaten kommer att minska riskerna för felaktig användning av antibiotika och hjälpa läkarna att välja rätt behandling så tidigt som möjligt. Kliniska prov är planerade att börja tidigt 2006. Den slutliga produkten, med validerade kontroller, försöksoptimering och program för diagnostikrapportering, kommer att lanseras senare i år.

I samarbete med forskningslaboratoriet Veredus utvecklar ST också en diagnostisk resurs som ska ge hälsovårdspersonal möjlighet att snabbt detektera stammar av fågelinfluensa och andra influensavirus. Baserad på ST:s plattform utvecklar Veredus en applikation som direkt identifierar om en patient är infekterad med fågelinfluensa (H5N1) eller någon undertyp av Influensa A eller B. Detta sker med ett enda test, istället för att som läget är idag kräva flera test. Baserat på de uppmuntrande test som hittills har kunnat iakttas, och som resultat av omfattande tester och valideringar, väntas Veredus applikation bli kommersiellt tillgänglig för hälsovården mot slutet av detta år.
MER LÄSNING:
 
SENASTE KOMMENTARER
Kommentarer via Disqus