Μία σταγόνα αίματος μπορεί σύντομα να επαρκεί για την φορητή ανίχνευση καρκίνου, σύμφωνα με τον Wen Liaoyong από το Πανεπιστήμιο Westlake στη Hangzhou της Κίνας, ο οποίος και συρρίκνωσε ένα σύστημα ανίχνευσης μεγέθους ψυγείου σε μια συσκευή που χωρά στην παλάμη και δηλώνει ότι η ακρίβεια είναι περίπου 10.000 φορές υψηλότερη από τις συμβατικές μεθόδους.
Τα ευρήματα δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Nature Photonics στις 13 Μαΐου. Σε κλινικές δοκιμές σε 171 δείγματα ορού από ασθενείς με καρκίνο πνεύμονα, η συσκευή πέτυχε διακριτική ικανότητα με ακρίβεια έως και 94,9% για την έγκαιρη ανίχνευση και 92,1% για μετεγχειρητική παρακολούθηση, ενώ οι παραδοσιακές μέθοδοι Elisa έδωσαν 74,7%.
Επιμέλεια: Στέλιος Βασιλούδης
Σύνοψη της τεχνολογίας
Η ομάδα του Wen αντικατέστησε τα μεγαλοπρεπή πρίσματα και τα φασματόμετρα με έναν μηχανισμό που ονομάζεται Q-modulated refractometric sensor, επιτρέποντας τη μεταφορά της λειτουργίας σε μια μικρή φορητή συσκευή. Αντί να μετρά το μήκος κύματος, αυτή η προσέγγιση εστιάζει στην ένταση του φωτός, απλοποιώντας σημαντικά τα απαραίτητα εξαρτήματα.
«Αυτή η εργασία καθιερώνει ένα κλιμακωτό και ισχυρό παράδειγμα νανοφωτονικής βιοανίχνευσης για μικρού μεγέθους, υψηλής απόδοσης διαγνωστικά εργαλεία σε κλινικά, απομακρυσμένα και κατ’ οίκον περιβάλλοντα», έγραψε ο Wen στην εισαγωγή της εργασίας.
Ο Wen Liaoyong ήταν πρώην ερευνητής στο Πανεπιστήμιο του Κονέκτικατ και εντάχθηκε στη σχολή μηχανικής του Πανεπιστήμιο Westlake ως επίκουρος καθηγητής το 2019, προάγοντας σε αναπληρωτή τον περασμένο Ιούλιο. Η ερευνητική του ομάδα εστιάζει σε νανοδομημένα υλικά πολλαπλών συστατικών και τις πολυλειτουργικές εφαρμογές τους.
Πώς δουλεύει το σύστημα
Στη βασική του αρχιτεκτονική, το σύστημα λειτουργεί ως εξής: όταν το φως διαπερνά ένα δείγμα αίματος με βιοδείκτες, αλλάζει ο δείκτης διάθλασης· αντί να αναλύει φασματικά αυτές τις μεταβολές, η νέα προσέγγιση μετρά μικρές διαφορές στην ένταση του φωτός με εξαιρετική ευαισθησία.
Ένας αναλογικός τρόπος να το φανταστεί κανείς: αν το μετρήσιμο εύρος των αλλαγών του δείκτη διάθλασης ήταν ένας χάρακας ενός μέτρου, η νέα πλατφόρμα μπορούσε να εντοπίσει διαφορές μόλις λίγα μικρόμετρα, δηλαδή πολύ μικρότερες μεταβολές από αυτές που συλλαμβάνουν οι τυπικές μέθοδοι.
Για να επιτευχθεί αυτό, η ομάδα σχεδίασε ένα τρισδιάστατο τσιπ που χρησιμοποιεί μεταϋλικά —επιφανειακές δομές μηχανικά κατασκευασμένες ώστε να χειρίζονται το φως με τρόπους αδύνατους για φυσικά υλικά— βασισμένο σε προηγούμενα ευρήματα που δημοσιεύθηκαν στο Nature Materials.
Καινοτομία στην κατασκευή
Παραδοσιακά, τα οπτικά τσιπ βασισμένα σε μεταεπιφάνειες «γράφονται» ένα-ένα με λιθογραφία δέσμης ηλεκτρονίων, μια διαδικασία που μοιάζει με την αντιγραφή ενός βιβλίου λέξη προς λέξη και καθιστά την μαζική παραγωγή δύσκολη και ακριβή, με κόστος εκατοντάδων δολαρίων ανά τσιπ.
Η ομάδα του Wen προχώρησε σε μια προσέγγιση που επιτρέπει την παραγωγή masters και στη συνέχεια την μαζική αναπαραγωγή, ώστε χιλιάδες τσιπ υψηλής συνοχής να μπορούν να εκτυπωθούν ταυτόχρονα σε ένα wafer οκτώ ιντσών, μειώνοντας το κόστος ανά τσιπ στα 5 δολάρια ΗΠΑ.
Επειδή ο νέος μηχανισμός μετρά μόνο την ένταση του φωτός, ολόκληρο το σύστημα μπορεί να περιοριστεί σε λίγα βασικά στοιχεία: ένα τσιπ ανίχνευσης 3D BIC, μια πηγή φωτός LED και έναν φωτοανιχνευτή, καθιστώντας τη συναρμολόγηση απλή και το τελικό προϊόν φορητό.
Δοκιμές και εφαρμογές
Για να ελέγξουν την πλατφόρμα, οι ερευνητές συνεργάστηκαν με το Πανεπιστήμιο Xiamen για την ανίχνευση μικρών εξωκυτταρικών κυστιδίων (sEVs) που σχετίζονται με τον καρκίνο του πνεύμονα — βιοδείκτες με πολύ χαμηλή συγκέντρωση στα πρώιμα στάδια και δύσκολους στην ανίχνευση με συμβατικές μεθόδους.
Η φορητή συσκευή του Wen αποδείχθηκε περίπου 10.000 φορές πιο ευαίσθητη από την τυπική Enzyme-Linked Immunosorbent Assay (Elisa) στην ανίχνευση αυτών των βιοδεικτών σε πρώιμα στάδια. Η ισχυρή διακριτική ικανότητα στις κλινικές δοκιμές απέδωσε τις προαναφερόμενες τιμές ακρίβειας.
Σύμφωνα με την ερευνητική εργασία, η πλατφόρμα έχει ευρύτερες εφαρμογές πέρα από τον έλεγχο παρουσίας όγκων, ανοίγοντας δρόμους για κλινικά, απομακρυσμένα και κατ’ οίκον διαγνωστικά εργαλεία που θα μπορούσαν να εντοπίζουν άλλους βιοδείκτες με μεγάλη ευαισθησία.
Δήλωση για το μέλλον
«Η μικρονανο-τεχνολογία κατασκευής – ως βασική υποστηρικτική τεχνολογία της σύγχρονης κοινωνίας της πληροφορίας – έχει εφαρμοστεί ευρέως σε τομείς όπως η αλληλεπίδραση οπτικών, ηλεκτρικών και μαγνητικών σημάτων, αποτελώντας βασική δύναμη στην προώθηση του ψηφιακού μετασχηματισμού», δήλωσε ο Wen.
Πηγή: South China Morning Post
