Mühendisler Telefon Kamerasını Kullanarak Kandaki Ender Proteinleri Tespit Edebilecek

Fotoğraf: Araştırmacıların tespit sistemi, mikrodamlacıklar objektiften geçerken bu damlacıkların hareketlerini yakalayabilmek için cep telefonlarını kullanıyor. Floresin işaretleyiciler hızla tekrarlanan flaşla eşleştirilerek ayrı ayrı tanımlanabiliyor. Kaynak: Pensilvanya Üniversitesi

Tıbbi teşhisin sınırlarından biri daha hassas kan testleri alanındaki yarıştır. Çok nadir proteinleri tespit edebilme yeteneği örneğin bazı kanserlerin veya  travmatik beyin hasarının erken teşhisi gibi birçok durumda hayat kurtarıcı bir fark yaratabilir.

Son derece hassas proteinlerin tespitine yönelik ticari yaklaşımlar ortaya çıkmaya başlıyor ancak genellikle optik ve akışkan işleyicilere bağlı olduklarından bu durum onları pahalı bir hale getiriyor ve laboratuvar ayarında kullanımlarını kısıtlıyor.

Bu tür bir teşhis sisteminin hasta odaklı bir cihaz olarak var olduğunu bilmek birçok durum için, özellikle de travmatik beyin hasarının teşhisi için kritik bir öneme sahip. Bu nedenle de  Pensilvanya Üniversitesi’ndeki mühendisler üretime  hazır bileşenleri kullanabilen ve günler süren geleneksel iş akışına kıyasla tekli proteinleri birkaç dakika içinde tespit edebilen bir test geliştirdiler.

Standart bir cep telefonu kamerasını ve bir dizi LED ışığını kullanarak bunları laboratuvarlarındaki mikroakışkan damlacık jeneratörleriyle bir araya getirdiler. Böylece normal protein testinden bin kat daha hassas ve mevcut sistemden çok daha ucuz bir sistem geliştirdiler ve son teknolojiye sahip tekli protein testleri piyasaya sürüldü.

Pensilvanya Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Biyomühendislik Bölümü’nde bir öğretim üyesi olan David Issadore’nin ve yüksek lisans öğrencisi Venkata R. Yelleswarapu’nun başında olduğu araştırmacılar ABD Ulusal Bilimler Akademisi’nin Proceedings dergisinde yayımlamış oldukları bir çalışmada sistemlerini gösterdiler.

Standart protein saptama deneyi, ELISA, söz konusu proteinlere antikorların bağlanışını ve bu antikorlarla bağlantılı enzimlere karşılık olarak örneğin renginin ne kadar değiştiğine dair yapılan ölçümü içerir. Bu işlem hasta odaklı cihazlara dahil edilecek kadar hızlı ve basittir. Tek dezavantajı, bu sistemin yalnızca yüksek konsantrasyona sahip proteinlerin varlığında çalışmasıdır.

Video: Araştırmacıların cep telefonlarından proteinlere bağlı floresin belirteçler. Yenilikçi bir strobin sistemi, bireysel belirteçlerin diğerlerinden ayırt edilmesine izin verir ve ultra düşük konsantrasyonlar gibi teşhisin zor olduğu koşullarda bile doğru bir sayım yapılmasını sağlar. Kaynak: Pensilvanya Üniversitesi

Günümüzde travmatik beyin hasarı için çok az sayıda biyobelirteç var çünkü bu hasarların protein belirleyicilerinin çok azı kan-beyin bariyeri boyunca ilerleyebiliyor. Tıp alanındaki araştırmacılar son zamanlarda böyle bir belirtecin kan testi için kullanılabileceğini ve ultra düşük konsantrasyonlar göz önünde bulundurulduğunda bu testin standart ELISA dizisinden çok daha hassas olması gerektiğini kanıtladılar.

“Binlerce kat daha hassas” diyor Issadore, “diyelim ki söz konusu proteinlerden yalnızca birkaçıyla bir viyal kana sahibiz, biz bu proteinleri kesin olarak sayabiliriz. Fakat geleneksel testte bir viyal kan ile içinde bulunan proteinlerden herhangi biri arasındaki farkı güvenilir bir şekilde söyleyemeyiz. Protein sayısını artırmaya devam ettikçe bir süre sonra geleneksel test bu proteinleri saptayabilecektir. Fakat yapabileceğinden binlerce kat daha az konsantrasyonlarda bu proteinleri sayabiliriz”.

Issadore’nin yaklaşımı numuneyi her biri bir protein içeren veya hiç içermeyen mikrodamlacıklara ayırıp bir kerede bir protein ölçme prensibine göre çalışır. Laboratuvarının mikroakışkanlar konusundaki uzmanlığı, birbirleriyle paralel çalışan yüzlerce mikrodamlacık jenaratörü ile kazınmış mikroçipler üretti.

Issadore, “Normalde bir numunenin ne kadar renk değiştirdiğini ve floresin miktarının ne kadar değiştiğini kesin bir şekilde ölçebilmeniz gerekir. Ancak, burada bunu on milyonlarca ‘evet’ ya da ‘hayır’ sorusuna dönüştürüyoruz” diyor. “Bu sorunun dijitalleştirilmesi kameranın ve çevresindeki sıvı taşıma ekipmanının maliyetini düşürüyor ama problemi milyonlarca sorunun yeniden üretilebilir, doğru ve ucuz yollarla nasıl çözülebileceğine kaydırıyor.”

Kullanıma hazır bir kameranın bir mikrodamlacığın floresin belirtece bağlı protein içerip içermediğini tespit edebilmesine rağmen en büyük zorluk süreci hızlandırmaktı. Mevcut dijital damlacık detektörleri bir kerede bir ölçüm yapabilmek için damlacıkları hizalar. Bu tür sistemler doğru ama pahalıdır. Ayrıca, her seferinde milyonlarca damlacığa bakmak zorunda olduklarından verimlilikleri sınırlıdır.

Yelleswarapu, “Saniyede bin damlacık, bilinen teknolojilerin üretkenliği, 50 milyonu ölçmek isteseniz de hala oldukça yavaş.” diyor.

Video : Mevcut sistemlerdeki pahalı optikler numunedeki mikrodamlacıkların bir defada ölçülmesini gerektirir. Penn mühendislerinin sistemlerinde mikrodamlacıklar hızlı bir analiz için paralel kanallara dizilir. Kaynak: Pensilvanya Üniversitesi

Araştırmacılar tek bir kanala sahip olmak yerine kameradan aynı anda geçirilen yüzlerce kanala damlacıkları aktarıyorlar. Ancak darboğaz, bir kameranın verileri ne kadar hızlı yakalayabildiğiyle alakalıdır.

Yelleswarapu, “Geleneksek olarak, normal bir kameradan elde edeceğiniz pozlamanın süresi iki damlacıktan gelen sinyallerin birbirinin üzerini örtmesi sonucunda net olmayacaktır. Bir cep telefonunun kamerası saniyede yaklaşık yüz görüntü elde ediyor ve bu damlacıkları çözebilmemiz için oldukça yavaş. Ancak, elektronik flaşlı damlacıkları kameranın kare sayısından bin kata daha hızlı aydınlatmak  için bir ışık kaynağı istiyorsanız bu kamerayı kullanabilirsiniz” diyor.

Issadore’nin ekibinin çalışmasının püf noktası, bu elektronik flaşı mikrodamlacığın komşularından ayrılmasını sağlayan bir sinyalle kodlamaktı.

Issadore, “Işığı, kendisini asla tekrar etmeyen ve radardan esinlendiğimiz bir teknikle çok spesifik bir düzende işaretliyoruz. Sinyaller ekran boyunca ilerlerken bu barkodla damgalanırlar. Böylece, birbirleriyle çakışsalar bile her bir damlacığın hangi flaş darbesiyle aydınlatıldığını ayırt edebiliriz” diyor.

Issadore’nin grubu daha önce travmatik beyin hasarı ile ilgili belirteçler üzerine bir makale yayımlamış ve Presbyterian Hastahanesi ile birlikte beyin hasarına sahip hastalar üzerine araştırma çalışmaları yürütmüştür. Aynı zamanda, kanserin ve travmatik beyin hasarının erken teşhisi için test kitleri üretmeyi amaçlayan ve Pennovation Center’e bağlı bir şirket olan Chip Diagnostics’in sahibidir.

Kaynak: phys.org