Tecno

Valutazione del rischio di infiammazione vascolare per i pazienti diabetici tipo 2 col CHIP

Un primo piano del prototipo lab-on-a-chip (rispetto a una moneta da 1 dollaro SGD) sviluppato da NTU Singapore, Tan Tock Seng Hospital e MIT, che può estrarre vescicole extracellulari (EV) in un unico processo. La quantità di veicoli elettrici può indicare se un paziente diabetico sta avendo un’infiammazione vascolare. Credito: Università tecnologica di Nanyang

Un team di scienziati internazionali della Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore), del Tan Tock Seng Hospital (TTSH) di Singapore e del Massachusetts Institute of Technology (MIT) ha sviluppato un metodo semplice per estrarre minuscole particelle biologiche dal sangue di una persona e usarli come biomarcatori per valutare la salute dei loro vasi sanguigni.

I biomarcatori sono particelle su scala nanometrica chiamate vescicole extracellulari (EV) che vengono rilasciate da cellule specifiche nel flusso sanguigno. Il loro compito è trasportare biomateriali, come proteine ??e acidi nucleici da una cellula all’altra.

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In un articolo pubblicato nel giugno 2021 sulla Royal Society of Chemistry—Lab on a Chip, il team ha dimostrato che i campioni di sangue di diversi pazienti diabetici avevano una quantità anormalmente elevata di veicoli elettrici circolanti secreti dalle cellule immunitarie e piastriniche (da 10 a 50 volte di più). , rispetto ad altri pazienti diabetici.

Il team ha scoperto in esperimenti di laboratorio che quando questi veicoli elettrici (presi dai sei pazienti con un numero elevato di veicoli elettrici) sono stati aggiunti alle cellule vascolari, hanno indotto livelli più elevati di marker di infiammazione vascolare. I risultati suggeriscono che i pazienti con elevati VE nel sangue potrebbero essere a maggior rischio di sviluppare complicanze vascolari a lungo termine.

I risultati sono stati riportati da un team interdisciplinare guidato congiuntamente dall’assistente professore Hou Han Wei della Scuola di ingegneria meccanica e aerospaziale e dal presidente della NTU, il professor Subra Suresh, in collaborazione con l’assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali della NTU Dalton Tay, professore associato Rinkoo Dalan, senior Consulente, Endocrinologia, TTSH e Senior Scientist del MIT e Visiting Professor NTU, Dr. Ming Dao.

Nel loro documento di ricerca , il team ha spiegato come il loro prototipo “lab-on-a-chip” può separare automaticamente i veicoli elettrici dai campioni di sangue in un’ora, circa un quinto del tempo normalmente necessario utilizzando i metodi di centrifugazione convenzionali.

Come funziona il nuovo chip

Denominato “ExoDFF” (isolamento degli esosomi mediante Dean Flow Fractionation), il chip microfluidico invia prima un campione di sangue attraverso un canale a forma di spirale ad alta velocità.

Sulla base degli effetti centrifughi e inerziali, il movimento del fluido e le forze idrodinamiche che agiscono sulle particelle nel fluido, i globuli più grandi vengono spinti via in una direzione mentre i veicoli elettrici più piccoli fluiscono più velocemente e sono diretti verso un’uscita diversa per la raccolta.

L’attuale benchmark globale per la separazione dei veicoli elettrici dal sangue mediante l’ultracentrifugazione richiede molto tempo (fino a cinque ore) e cattura pochissimi veicoli elettrici dal campione di sangue. È anche laborioso e non standardizzato poiché diversi laboratori hanno protocolli diversi per l’estrazione e la purificazione dei veicoli elettrici.

In confronto, l’utilizzo del chip ExoDFF consente di combinare il processo di separazione e arricchimento dei veicoli elettrici in un unico passaggio e non richiede competenze qualificate, ha affermato Asst Prof Hou, anch’egli docente presso la Lee Kong Chian School of Medicine della NTU.

“Abbiamo lavorato a stretto contatto con il nostro partner clinico TTSH per garantire che l’operazione in un unico passaggio del chip sia tutto ciò che è necessario per estrarre facilmente i veicoli elettrici per l’analisi. La microfluidica è ora una tecnologia matura e con la nostra profonda esperienza in questo campo, possiamo progettare facilmente soluzioni di microfluidica uniche per isolare varie cellule e biomarcatori dal sangue umano”, afferma Asst Prof Hou, che in precedenza aveva inventato un lab-on-a-chip per analizzare lo stato del sistema immunitario di una persona nel 2019.

Potenziale impatto dell’innovazione

Oltre 422 milioni di persone nel mondo hanno il diabete e a Singapore il 10% della sua popolazione (oltre 400.000) ha la malattia metabolica, mentre le malattie cardiovascolari rappresentano circa il 31% dei decessi in tutto il mondo, compresa Singapore.

Il prof. Assoc Rinkoo Dalan, che è anche professore a contratto presso la Lee Kong Chian School of Medicine, ha dichiarato: “Le malattie cardiovascolari (CVD) hanno causato 18,6 milioni di decessi in tutto il mondo nel 2019, di cui il 58% si è verificato in Asia. Nonostante i significativi progressi nel trattamento, la mortalità e la morbilità associate all’aterosclerosi rimangono elevate”.

“Abbiamo bisogno di metodi per classificare il rischio potenziale per il nostro diabete e altri pazienti ad alto rischio molto prima che si verifichino danni significativi alle arterie in modo da poter istituire metodi preventivi. Questa innovazione ha il potenziale per rilevare il rischio precocemente in modo che i metodi preventivi possano quindi aiutano a limitare la progressione del danno ai vasi sanguigni.

“Questa innovazione è particolarmente vantaggiosa poiché coincide con lo sviluppo di nuovi agenti antinfiammatori come canakinumab che ha il potenziale per prevenire le malattie cardiovascolari in questi pazienti, così come altri farmaci specifici per il diabete come gli inibitori SGLT2 che possono dare determinati effetti protettivi per il cuore. Questi farmaci possono quindi essere somministrati a pazienti che hanno dimostrato di essere a più alto rischio di sviluppare malattie cardiovascolari. Il dispositivo ha anche il potenziale per essere utilizzato per valutare l’effetto delle terapie sulle arterie”.

Il prof. Subra Suresh, anche il primo professore distinto alla NTU, ha affermato: “Essere in grado di identificare i pazienti diabetici che hanno aumentato l’infiammazione vascolare potrebbe dare ai medici un vantaggio nel trattamento delle malattie cardiovascolari nelle sue fasi iniziali prima che si trasformino in una condizione più grave che richiede un trattamento più invasivo che coinvolga stent o interventi chirurgici”.

Attualmente, il chip di separazione EV può elaborare fino a 5 ml di sangue in un’ora. Poiché il design ExoDFF è scalabile, a basso costo (ogni chip costerà solo pochi dollari per la produzione) e non richiede sostanze chimiche, può essere progettato per elaborare volumi di campioni più grandi o adattato per l’uso per la produzione di celle o veicoli elettrici basate su terapie, come la terapia con cellule staminali.

Il team spera di sviluppare una versione automatizzata e più piccola di “dimensioni stampante” della macchina per uso clinico e di ricerca.

Il team prevede inoltre di condurre ulteriori esperimenti su un campione più ampio di pazienti per convalidare ulteriormente la loro ipotesi sull’utilizzo di veicoli elettrici come biomarcatori non tradizionali per la stratificazione del rischio dei pazienti diabetici .


Maggiori informazioni: Hui Min Tay et al, Isolamento diretto delle vescicole extracellulari circolanti dal sangue per il profilo del rischio vascolare nel diabete mellito di tipo 2, Lab on a Chip (2021). DOI: 10.1039/D1LC00333J

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