Сидя за обеденным столом, преподаватели, связанные со Стэнфордской химией - одним из междисциплинарных институтов Стэнфордского университета-говорили один за другим, предлагая идеи для совместных исследований. Вдохновленный недавней медицинской головоломкой, Гилберт Чу, профессор медицины (онкологии) и биохимии в Стэнфордском медицинском институте, вызвал химика, который мог бы помочь ему создать датчик, который мог бы быстро, легко и точно измерять уровень аммиака в крови. Чуть дальше по столу Мэтью Канан, адъюнкт-профессор химии, обнаружил впечатляющее совпадение: его аспирант Томас Вельтман работал над датчиком для измерения содержания аммиака в любой жидкости.
В августовском выпуске ACS Sensors Чу, Канан, Вельтман и их коллеги Наталья Гомес-Оспина и Чун Цай опубликовали продукт своего сотрудничества: портативный портативный детектор аммиака, который - подобно глюкометрам, используемым для измерения уровня сахара в крови, - оценивает уровень аммиака с помощью пальца или мочки уха.
Аммиак-это естественный продукт пищеварения, который обычно перерабатывается в мочевину печенью и выводится из организма с мочой. Слишком большое количество аммиака в крови может вызвать психическую и физическую дисфункцию и является проблемой для людей с заболеваниями печени или генетическими заболеваниями, которые препятствуют метаболизму аммиака. Новое устройство может быть особенно полезно для новорожденных с этими метаболическими заболеваниями. В этой популяции повреждение мозга может произойти в течение нескольких часов после повышения уровня аммиака, и для лечения некоторые семьи должны проехать большие расстояния, чтобы получить адекватное тестирование.
"Я разговаривала с семьями, у которых есть дети с этим заболеванием, о том, что у них есть такое устройство, и это делает их эмоциональными, потому что для них последствия отсутствия точного и быстрого контроля аммиака настолько серьезны",-сказала Наталья Гомес-Оспина, доцент кафедры педиатрии и соавтор статьи. -Для этих семей это может изменить всю жизнь."
Датчик был протестирован на образцах крови пациентов, склонных к повышенному уровню аммиака, а портативная версия устройства была протестирована на образцах крови, дозированных аммиаком. Результаты были точными в обоих случаях. Теперь исследователи вносят окончательные коррективы в конструкцию и производство устройства в надежде подготовить его к исследованию, которое будет иметь право на оценку Управлением по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA).
Медицинская загадка
Пациентка, которая вдохновила Чу на предложение сотрудничества, была доставлена в больницу ее мужем после нескольких недель ухудшения здоровья. Она была в бреду и не могла ходить. Никто не знал, что случилось, пока стандартный анализ плазмы крови не показал, что у нее очень высокий уровень аммиака.
-Единственное, что пришло мне в голову, - это то, что это могла быть моя вина.- сказал Чу, который является одним из главных авторов статьи вместе с Кананом. - Я посмотрел на ее химиотерапию, которую она принимала. Это была пероральная форма фторурацила, одного из старейших химиотерапевтических препаратов. Это не было известным побочным эффектом, но хронология соответствовала ее симптомам."
Следуя этому примеру, Чу обнаружила, что у пациентки есть анатомическая аномалия, а также генные мутации, которые снижают способность ее организма усваивать аммиак. Химиотерапевтический препарат, который она принимала, блокировал механизмы организма по использованию аммиака для производства РНК. Блок, в свою очередь, вызвал у пациента появление симптомов.
После того, как это было понято, эту проблему было легко решить с помощью известных методов лечения. Но по пути Чу узнал, что тест для измерения уровня аммиака был шокирующе трудным - кровь должна была быть взята из вены, быстро транспортирована по льду в лабораторию анализа, центрифугирована, чтобы отделить плазму, а затем обработана биохимическим анализом. Даже если все идет идеально, результат занимает не менее двух часов, но проблемы возникают часто. В ходе лечения его пациента образцы крови, взятые Чу, были отклонены дважды.
"Я поговорил с лабораторией об их протоколах и понял, что если у меня есть эта проблема, то должно быть много общественных больниц, которые испытывают еще большие трудности с этими тестами", - сказал Чу.
Одним пациентом в клиническом исследовании исследователей был новорожденный с нарушением обмена аммиака, у которого кровь брали 132 раза за 31 день, что равнялось более чем половине общего объема крови среднего новорожденного.
"Нагрузка на пациентов в нашем исследовании была мощным мотиватором. У некоторых было несколько тестов в день в течение многих дней, и каждый из них-это отдельный венозный отток", - сказал Канан. -Это много крови и боли, и если что-то пойдет не так с тестом, он ничего не стоит."
Большие, маленькие проблемы
В отличие от этого, нынешнее устройство требует около одной капли крови - менее 1 процента крови для стандартного теста - и, таким образом, может быть получено с помощью небольшого пальца или мочки уха палочки. Само устройство имеет размер телевизионного пульта дистанционного управления, и, как и в случае с глюкометром, капли крови наносятся на тест-полоску, которая вставляется в один конец. Он сообщает об уровне аммиака менее чем за минуту.
Хотя датчик внутри устройства очень похож на существующие датчики аммиака, используемые для обнаружения токсичного аммиачного газа в промышленных условиях, тест - полоски изготавливаются с нуля. Кровь, нанесенная на небольшое отверстие на одном конце полоски, проходит через микроскопический канал и тонет в бумажной подкладке колодца на противоположном конце, который покрыт недорогим химическим веществом, которое освобождает аммиак из образца. Внутри устройства эта скважина находится непосредственно под датчиком аммиака.
При создании и испытании этого прототипа Вельтман спроектировал и сконструировал полосы вручную. Он сделал много пошаговых улучшений, оптимизировав дизайн, чтобы полосы могли быть массово произведены просто и недорого. Например, две из самых больших проблем в производстве полосок были крошечный объем образца и естественная липкость аммиака.
"Чем больше мы уменьшали объем крови, тем больше проблем закрадывалось", - сказал Вельтман, который является ведущим автором статьи. "Когда у вас есть только небольшое количество аммиака, вопросы поверхностной химии становятся действительно важными. Если это не просто правильно на каждой полосе, вы не получите точного чтения, потому что аммиак прилипает там, где он не должен."
Исследователи создали компанию вокруг своего изобретения с конечной целью получения разрешения FDA на эту технологию.
"С самого первого дня целью было создание устройства, которое будет использоваться пациентами и их семьями для улучшения результатов лечения", - сказал Канан. "Несмотря на все трудности, достижение этой цели действительно удерживало совместные усилия вместе.