Revolusi Deteksi Dini Penyakit dengan Bioteknologi Skala Nano
Bayangkan masa depan di mana pemeriksaan tahunan rutin dikomplementasikan oleh chip diagnostik rumah yang hemat biaya. Dengan menganalisis satu sampel urine, pasien dapat terus memantau kesehatan dasar, dan setiap pergeseran biomarker halus—sinyal dini potensial kanker atau infeksi virus—terdeteksi dengan segera.
Tes perawatan di tempat, seperti tes kehamilan rumah yang muncul pada tahun 1970-an, telah mengubah pemantauan kesehatan pribadi. Tes ini mendeteksi gonadotropin korionik manusia dalam urine dengan strip sederhana, menawarkan hasil instan tanpa kunjungan klinik. Prinsip yang sama dapat diperluas untuk mendeteksi kondisi yang jauh lebih kompleks, asalkan kita dapat mengisolasi partikel skala nano yang relevan dari cairan tubuh.
Chip nanoDLD IBM Research berukuran 2 cm × 2 cm dipasang dalam jig mikrofluida
Mengubah Ulang Diagnostik Perawatan di Tempat
Di IBM Research, tim lintas disiplin yang dipimpin oleh Dr. Joshua Smith, master inventor dan ilmuwan penelitian, dan Dr. Gustavo Stolovitzky, direktur program IBM Translational Systems Biology dan Nanobiotechnology, telah mengimajinasikan ulang teknologi silikon untuk penggunaan biomedis. Tujuan mereka: memisahkan partikel skala nano—seperti komponen virus dan vesikel turunan tumor—dari cairan yang mudah diperoleh seperti urine atau ludah.
Metode pemisahan saat ini memerlukan peralatan mahal, laboratorium penuh, dan teknisi terampil, sehingga skrining sering tidak praktis. Solusi nanotech berbasis chip dapat menawarkan alternatif yang sederhana, terjangkau, dan cepat yang memberdayakan klinisi untuk mendeteksi penyakit bahkan sebelum gejala muncul.
nanoDLD: Mesin di Balik Inovasi
Menggunakan perpindahan lateral deterministik skala nano (nanoDLD), sampel cair mengalir melalui chip silikon dengan pola array tiang asimetrik. Desain ini mengurutkan partikel berdasarkan ukuran: partikel kecil bergerak zig-zag sepanjang aliran, sementara yang besar digeser secara lateral, mirip dengan kendaraan yang dipaksa ke jalur yang benar di tol. Hasilnya adalah pemisahan kontinu yang terurut ukuran hingga puluhan nanometer.
Tim Smith dan Stolovitzky telah berhasil mengisolasi eksosom sekecil 20 nm—kira-kira 1/5.000 dari rambut manusia—bersamaan dengan DNA, virus, dan kompleks protein. Biopartikel kecil ini dapat membawa informasi penting tentang awal penyakit, paparan virus, atau progresi penyakit.
“Dampak sosial dari penelitian ini adalah dapat memungkinkan dokter mendeteksi kanker secara dini… saat ada lebih banyak kemungkinan untuk disembuhkan,” kata Stolovitzky. “Kami bertujuan untuk menciptakan alat diagnostik kecil dan terjangkau yang mampu mendeteksi jumlah biomarker yang kecil yang memberi tahu klinis tentang kesehatan pasien.”
Skala biologi dari manusia hingga atom dan rentang skala nano baru yang dapat dicapai perangkat nanoDLD IBM Research [infografik lengkap]
Eksosom: Pengikil Kecil, Wawasan Besar
Dalam kolaborasi dengan Mount Sinai Health System, dipimpin oleh Dr. Carlos Cordon-Cardo, keahlian Mount Sinai dalam patologi kanker melengkapi bioinformatika dan teknologi nanofluidik IBM. Eksosom—vesikel yang berasal dari sel yang ditemukan dalam darah dan urine—berfungsi sebagai reservoir kaya protein, fragmen DNA, dan RNA, menawarkan gambaran non-invasif dari komunikasi seluler.
“Sel mengirim pesan melalui eksosom, mengenkapsulasi protein, DNA, dan RNA. Dengan mendekode amplop ini, kita dapat mendapatkan peringatan dini tentang penyakit,” jelas Cordon-Cardo. “Eksosom dapat menjadi sumur pietra perawatan kesehatan preventif, memungkinkan kita mengidentifikasi masalah sebelum mereka muncul secara klinis.”
Dengan chip nanoDLD, klinisi dapat “menyadap” percakapan antar sel, memantau pergeseran konten eksosomal yang mendahului patologi nyata. Pemantauan reguler dapat mengubah manajemen penyakit menjadi upaya yang proaktif, bukan reaktif.
Mikrograf elektron eksosom pada permukaan.
Kanker Prostata: Studi Kasus Deteksi Dini
Kanker prostata tetap menjadi kanker paling umum di kalangan pria di Amerika Serikat. Skrining saat ini mengandalkan tes antigen spesifik prostata (PSA), yang dapat menghasilkan hasil palsu positif dan negatif. Dengan menganalisis biomarker eksosom, kemitraan IBM–Mount Sinai berharap mengidentifikasi penyakit dengan sensivitas dan spesifisitas yang lebih tinggi.
“Eksosom mengungkap apa yang sedang diproses sel kanker tanpa perlu menyentuh tumor,” kata Stolovitzky. “Dengan mendeteksi kehadiran dan konten mereka, kita dapat memperoleh wawasan tentang biologi tumor sejak awal.”
Dari Lab ke Tempat Tidur Pasien
Publikasi terbaru tim di Nature Nanotechnology (DOI: 10.1038/NNANO.2016.134) menjelaskan kemampuan chip nanoDLD untuk memisahkan eksosom hingga 20 nm. Langkah selanjutnya mencakup peningkatan throughput, penyempurnaan chip untuk menangkap partikel di bawah 20 nm, dan validasi biomarker dalam sampel klinis. Setelah terbukti, platform akan berkembang menjadi alat perawatan di tempat kelas klinis yang dapat mencerminkan dampak tes kehamilan pada kesehatan wanita.
Catatan kaki:
*Nature Nanotechnology: Nanoscale Lateral Displacement Arrays for Separation of Exosomes and Colloids Down to 20 nm, DOI: 10.1038/NNANO.2016.134
Benjamin H. Wunsch (IBM Research), Joshua T. Smith (IBM Research), Stacey M. Gifford (IBM Research), Chao Wang (afiliasi saat ini: Arizona State University), Markus Brink (IBM Research), Robert Bruce (IBM Research), Robert H. Austin (Princeton University), Gustavo Stolovitzky (IBM Research), dan Yann Astier (afiliasi saat ini: Roche Molecular Systems)
