Naukowcy ze Stanford Medicine mierzą tysiące cząsteczek z jednej kropli krwi | Centrum wiadomości
Naukowcy ze Stanford Medicine wykazali, że mogą zmierzyć tysiące cząsteczek – z których niektóre są sygnałami zdrowia – z jednej kropli krwi.
Nowe podejście łączy urządzenie do mikropróbkowania – narzędzie służące do samodzielnego podawania punkcji palca – z technologiami „multiomiki”, które jednocześnie analizują szeroką gamę białek, tłuszczów, produktów ubocznych metabolizmu i markerów stanu zapalnego.
„Co ważniejsze, pokazaliśmy, że kroplę krwi można pobrać w domu i wysłać pocztą do laboratorium” – powiedział dr Michael Snyder, dyrektor Centrum Genomiki i Medycyny Spersonalizowanej oraz główny autor badań, które zostały opublikowane w Inżynieria Biomedyczna Przyrody 19 stycznia .
W przeciwieństwie do testów nakłucia palca na cukrzycę, które mierzą jeden typ cząsteczki (glukozę), mikropróbkowanie multi-omiczne dostarcza danych o tysiącach różnych cząsteczek jednocześnie.
Badania brzmią podobnie do dobrze znanego podejścia promowanego w przeszłości do badania pojedynczej kropli krwi, ale istnieją istotne różnice: podczas gdy wcześniejsze podejście opierało się na replikacji istniejących testów diagnostycznych, mikropróbkowanie multiomiczne wykorzystuje inny rodzaj danych analiza oparta na technologii zwanej spektrometrią mas, która sortuje cząsteczki na podstawie ich masy i ładunku elektronicznego. Ponadto analiza danych odbywa się w laboratorium, a nie w przenośnym pudełku.
Mniej krwi, więcej spostrzeżeń
Zamiast skupiać się na pojedynczym białku, metabolitie lub markerze stanu zapalnego, rozwijająca się dziedzina badań „omicznych” przyjmuje szersze podejście do biologii systemowej: analizuje całe spektrum białek (proteom), tłuszczów (lipidom) lub by- produkty przemiany materii (metabolom). Chociaż ostatnie postępy sprawiły, że analiza danych stała się bardziej solidna i wydajna, użyteczność badań multiomicznych w świecie rzeczywistym została ograniczona między innymi przez trudności z pobieraniem próbek. Aby zmierzyć czyjąś reakcję na jedzenie lub lek, może być potrzebnych wiele próbek w krótkim czasie; obecnie pobieranie próbek wymaga udania się do kliniki w celu dożylnego pobrania krwi od 10 do 50 mililitrów.
„Na potrzeby badania poprosiliśmy uczestników o pobranie próbek krwi pięć razy w ciągu zaledwie czterech godzin” – powiedział Snyder, profesor genetyki ze Stanford W. Ascherman. „Tradycyjnie oznaczałoby to założenie cewnika i za każdym razem pobieranie dużej ilości krwi. Do piątego losowania uczestnicy mieliby mniej żelaza i mniej czerwonych krwinek”.
Naukowcy chcieli wiedzieć, czy mogą drastycznie zmniejszyć objętość krwi używanej do analizy multiomicznej, ale nadal profilować tysiące cząsteczek. Po przetestowaniu różnych urządzeń do mikropróbkowania, wybrali jedno o nazwie Mitra, przenośne urządzenie do wbijania palca, które pobiera 10 mikrolitrów krwi do matrycy żelowej. Następnie przetestowali wiele technik ekstrakcji, aby oddzielić białka, lipidy i metabolity. Do pomiaru markerów stanu zapalnego użyto drugiej oddzielnej mikropróbki.
„W ogóle nie spodziewaliśmy się, że będziemy w stanie przeprowadzić tego rodzaju analizę na tak małej próbce” – powiedział dr Ryan Kellogg, doktor habilitowany w dziedzinie genetyki i jeden z czterech współprowadzących autorów artykułu . Pozostali trzej współprowadzący autorzy to doktoranci ze Stanford, dr Xiaotao Shen, dr Daniel Panyard i dr Nasim Bararpour.
W badaniu pilotażowym z udziałem dwóch osób naukowcy byli w stanie zmierzyć poziomy 128 białek, 1461 metabolitów i 776 lipidów z każdej mikropróbki. Następnie monitorowali stabilność próbek, gdy były przechowywane w różnych temperaturach.
„Ogólnie rzecz biorąc, bardzo niewiele białek było niestabilnych, niezależnie od temperatury” – powiedział Snyder. Powiedział, że niektóre lipidy i metabolity rozpadły się podczas przechowywania w określonych temperaturach, ale większość była stabilna.
Kiedy naukowcy porównali wyniki multi-omiki uzyskane przez mikropróbkowanie z wynikami z tradycyjnego pobierania krwi, stwierdzili, że wyniki z dwóch typów pobierania są podobne dla zdecydowanej większości cząsteczek. Przekonani, że ich multiomiczne mikropróbki są wiarygodne, naukowcy następnie przetestowali zastosowania nowej techniki.
Śledzenie indywidualnych reakcji metabolicznych na żywność
Naukowcy przeprowadzili badanie, które monitorowało molekularny wpływ koktajlu odżywczego, analizując dane od 28 uczestników przez cztery godziny po spożyciu określonej ilości węglowodanów, tłuszczów, białek i mikroelementów z koktajlu zastępującego posiłek.
„Odkryliśmy, że ludzie reagowali bardzo, bardzo różnie na tę mieszankę” – powiedział Snyder.
Różni ludzie mogą mieć drastycznie różne reakcje metaboliczne na ten sam pokarm, ale standardowe badania krwi nie dostarczają wystarczających danych, aby zrozumieć, dlaczego.
Prawie 50% związków w koktajlu można było ostatecznie wykryć we krwi uczestników, a badacze byli w stanie podzielić uczestników na dwie główne grupy na podstawie tego, jak szybko zmieniały się cząsteczki w ich krwi, przy czym jedna grupa szybciej reagowała na wstrząsnąć niż inne. Uczestnicy ze znaną opornością na insulinę częściej trafiali do grupy „szybko reagujących”.
Niektórzy uczestnicy mieli również reakcję zapalną, z cząsteczkami zaangażowanymi w ich odpowiedź immunologiczną, osiągając szczyt około 30 minut po spożyciu koktajlu.
„Ostatecznym celem tworzenia tych szczegółowych profili jest przekazanie ludziom informacji” – powiedział Snyder. „Jeśli dowiesz się, że masz odpowiedź immunologiczną na określony pokarm, możesz być dość zmotywowany do zmiany diety”.
Monitorowanie 24/7 za pomocą czujników do noszenia
W drugim eksperymencie naukowcy posunęli się o krok dalej w monitorowaniu molekularnym, pobierając próbki krwi Snydera co godzinę lub dwie, gdy nie spał przez tydzień.
„Po 98 próbkach muszę przyznać, że moje palce były dość obolałe”. Nosił również cztery różne inteligentne zegarki i ciągły monitor glukozy, aby śledzić jego tętno, poziom aktywności, sen i spożycie pokarmu.
