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Oct 19, 2023

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Nature Communications volume

Nature Communications volume 13, numero articolo: 4902 (2022) Citare questo articolo

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Un sistema lab-on-a-chip con funzionalità di test Point-of-Care offre un potenziale diagnostico rapido e accurato ed è utile in contesti con risorse limitate in cui apparecchiature biomediche e professionisti qualificati non sono prontamente disponibili. Tuttavia, un sistema di analisi Point-of-Care che possieda contemporaneamente tutte le caratteristiche richieste di dispensazione multifunzionale, rilascio su richiesta, operazioni robuste e capacità di conservazione dei reagenti a lungo termine rappresenta ancora una sfida importante. Qui descriviamo una tecnologia di commutazione azionata da leva a film in grado di manipolare liquidi in qualsiasi direzione, fornire una risposta di rilascio accurata e proporzionale alla pressione pneumatica applicata, nonché sostenere la robustezza durante movimenti e vibrazioni improvvisi. Sulla base della tecnologia, descriviamo anche lo sviluppo di un sistema di reazione a catena della polimerasi che integra le funzioni di introduzione, miscelazione e reazione dei reagenti in un unico processo, che realizza prestazioni "campione in risposta" per tutti i campioni nasali clinici di 18 pazienti con Influenza e 18 controlli individuali, in buona concordanza dell'intensità della fluorescenza con la reazione a catena della polimerasi standard (coefficienti di Pearson > 0,9). La piattaforma proposta promette una solida automazione delle analisi biomediche e può quindi accelerare la commercializzazione di una gamma di dispositivi di test Point-of-Care.

Le malattie umane emergenti, come la pandemia di COVID-19 del 2020 che ha portato alla perdita di milioni di vite umane, rappresentano una grave minaccia per la salute globale e la civiltà umana1. Il rilevamento precoce, rapido e accurato della malattia è fondamentale per controllare la diffusione di un virus e ottenere migliori risultati terapeutici. Gli ecosistemi diagnostici tradizionali basati su laboratori centralizzati, dove i campioni di analisi vengono inviati a ospedali o cliniche diagnostiche e sono gestiti da personale professionale, attualmente limitano l’accesso a quasi 5,8 miliardi di persone in tutto il mondo, in particolare coloro che vivono in contesti con scarse risorse e privi di costose attrezzature biomediche. e medici qualificati2. È quindi altamente auspicabile lo sviluppo di un sistema lab-on-a-chip a basso costo e facile da usare con funzionalità POCT (point-of-care testing) che fornisca ai medici informazioni diagnostiche tempestive per prendere decisioni informate riguardo alla diagnosi e al trattamento3.

Le linee guida dell'Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) affermano che un POCT ideale deve essere conveniente, facile da usare (facile da usare con una formazione minima), accurato (evita risultati falsi negativi o falsi positivi), rapido e robusto (garantisce una buona riproducibilità) e consegnabili (in grado di essere archiviati a lungo termine e facilmente ottenibili dagli utenti finali)4. Per soddisfare questi requisiti, i sistemi POCT dovrebbero offrire le seguenti caratteristiche: erogazione multifunzionale per ridurre l'intervento manuale, rilascio su richiesta per controllare proporzionalmente il trasporto dei reagenti per risultati di test accurati e operazioni robuste per resistere alle vibrazioni dell'ambiente. I dispositivi POCT più utilizzati attualmente sono le strisce a flusso laterale5,6 costituite da diversi strati di membrane porose di nitrocellulosa che spingono in avanti quantità molto piccole di campione, reagendo ai reagenti pre-immobilizzati tramite una forza capillare. Sebbene siano economici, facili da usare e offrano i vantaggi di risultati rapidi, i dispositivi POCT basati su strisce di flusso possono essere applicati solo ai test biologici (ad esempio, test del livello di glucosio7,8 e test di gravidanza9,10) senza richiedere reazioni multifase (ad esempio, caricamento di più reagenti, miscelazione, reazione multiplex). Inoltre, la forza motrice per controllare il movimento del fluido (ovvero, la forza capillare) non offre una buona coerenza, soprattutto tra lotti diversi, con conseguente scarsa riproducibilità11 e rendendo le strisce di flusso laterali utili principalmente per rilevamenti qualitativi12,13.

Le capacità di produzione avanzate su scala micro e nanometrica hanno creato opportunità per lo sviluppo di dispositivi POCT basati su microfluidica per misurazioni quantitative14,15,16,17. Regolando le proprietà interfacciali18,19 e la geometria dei canali20,21,22, è possibile controllare la forza capillare e la portata di questi dispositivi. La loro robustezza, soprattutto per i liquidi altamente bagnanti, non è tuttavia ancora accettabile, a causa dell'imprecisione di fabbricazione, delle imperfezioni dei materiali e della suscettibilità alle vibrazioni ambientali23. Inoltre, poiché il flusso capillare viene generato all'interfaccia liquido-aria, non possono essere introdotti flussi aggiuntivi, in particolare dopo che i canali microfluidici sono stati riempiti di liquido. Di conseguenza, è necessario eseguire diverse fasi di introduzione del campione per ottenere un test più complesso24,25.