加州理工学院(Caltech)的研究人员开发的一种新型“条形码芯片”有望带来革命性的变化进行医学诊断测试。
在不到10分钟的时间里，只需使用一针的血液，该芯片就可以测量几十种蛋白质的浓度，包括那些预示着癌症和心脏病等疾病存在的蛋白质。
这种被称为“血液条形码集成芯片”(Integrated blood barcode Chip，简称IBBC)的设备是由加州理工学院的一组研究人员开发的，他们是伊丽莎白·w·吉隆教授和化学教授詹姆斯·r·希思(James R. Heath)、博士后学者范荣(Rong Fan)和研究生Ophir Vermesh，以及华盛顿州西雅图系统生物学研究所(Institute for Systems Biology)所长勒罗伊·胡德(Leroy Hood)。
《科学》杂志在线版的一篇论文描述了一种ibc，它大约有显微镜载玻片那么大，由覆盖有硅橡胶的玻璃基板制成。芯片的表面被塑造成包含一个微流体电路，这是一个微观通道系统，通过它可以引入血液，将富含蛋白质的血浆从全血中分离出来，并从血浆中测量一组蛋白质生物标志物。
与分析血液中蛋白质的标准实验室测试相比，该芯片的成本和速度都有了显著提高。在传统的测试中，从病人的手臂上取出一个或多个小瓶血液，带到实验室，在那里血液被离心，从血浆中分离出全血细胞。然后检测血浆中的特定蛋白质。“这个过程是劳动密集型的，即使做测试的人很匆忙，测试仍然需要几个小时才能完成，”希思说。一套检测单一诊断蛋白的试剂盒价格约为50美元。
他说:“我们希望以数量级的方式大幅降低此类测量的成本。”“我们以一种蛋白质的成本来测量许多蛋白质。此外，如果您减少测试所需的时间，测试就会更便宜，因为时间就是金钱。有了我们的条形码芯片，我们可以在不到10分钟的时间内完成从针刺到结果的处理。”
一个芯片可以同时检测8个病人的血液，每次检测同时检测多种蛋白质。研究人员报告了一种可以测量手指血液中十几种蛋白质的设备，他们目前的检测方法是为更多的蛋白质设计的。“我们的目标是在一年左右的时间里，每个手指刺入100个蛋白质。这是一项非常有用的技术，”希思说。
为了进行化验，将一滴血加入ibc的入口，然后施加轻微的压力，迫使血液通过通道。当血液流动时，血浆进入狭窄的通道，这些通道从主通道分叉。芯片的这一部分被设计成一个电阻器网络，可以优化等离子体分离。
然后等离子体流过“条形码”。条形码由一系列的线组成，每条线的宽度为20微米，并带有不同的抗体图案，使其能够从经过的血浆中捕获特定的蛋白质。当条形码“显影”时，单个的条形码会发出红色的荧光，其亮度取决于捕获的蛋白质的数量。
在《自然生物技术》的论文中，研究人员使用该芯片测量了人类绒毛膜促性腺激素(hCG)浓度的变化，hCG是怀孕期间产生的激素。希思说:“随着女性经历怀孕周期，这种蛋白质的浓度增加了大约10万倍，我们想证明，我们可以通过一次测试捕捉到整个浓度范围。”
科学家们还使用条形码芯片来分析乳腺癌和前列腺癌患者的血液中作为疾病生物标志物的一些蛋白质。蛋白质的类型和浓度因疾病和个体而异。例如，患有乳腺癌的女性会产生与患有前列腺癌的男性不同的一系列生物标志物，而患有恶性癌症的女性可能会产生与患有不那么致命的癌症的女性不同的蛋白质。
当病人接受治疗时，这些蛋白质也会发生变化。因此，确定这些生物标志物可以让医生为他们的病人制定个性化的治疗计划，并改善结果。使用IBBC可以轻松快速地获得结果，这也可能使医生能够评估患者对药物的反应，并监测这些反应如何随着时间的推移而变化，就像糖尿病患者可能使用血糖测试来监测胰岛素的输送一样。
这种条形码芯片目前正在胶质母细胞瘤患者身上进行人体临床试验。胶质母细胞瘤是一种常见的恶性脑肿瘤。研究人员还在健康个体的研究中使用这种芯片，以确定饮食和运动如何改变血液中蛋白质的组成。
目前，条形码信息是用一种常见的实验室扫描仪“读取”的，这种扫描仪也用于基因和蛋白质表达研究。“但是设计像超市UPC扫描仪这样的东西来读取信息应该很容易，”使这个过程更加用户友好，论文的第一作者范说。
“随着个性化医疗的发展，大量蛋白质生物标志物的测量将变得重要，但它们也必须非常便宜，”希思说。“我们希望这些ibbc能够实现这种廉价的多路测量。”
