Ratownik klęka przy rannym na poboczu drogi. Pacjent traci krew, a do szpitala jest daleko. Lekarz, który za kwadrans przejmie chorego, chciałby wiedzieć dwie rzeczy: jaką grupę krwi ma ranny i ile krwi już stracił. Dziś na obie odpowiedzi trzeba czekać, aż próbka trafi do szpitalnego laboratorium. Zespół z National Taiwan University (NTU) pokazał, że pierwszą wskazówkę można dostać w minutę, z kropli krwi z palca, bez prądu i bez analizatora. Wystarczy plastikowy chip i ręczna wirówka, którą kręci się korbką.
Praca ukazała się w czasopiśmie Biosensors and Bioelectronics. Autorami są Yuh-Shiuan Chien, Chun-Yen Chang i Ping-Yeh Chiu, którzy mieli równy wkład w badania, oraz prof. Chien-Fu Chen z Instytutu Mechaniki Stosowanej NTU, który kierował zespołem. To wciąż prototyp sprawdzony na 21 próbkach od pacjentów. Warto jednak rozłożyć go na części, bo pomysł jest prosty, a każdy element rozwiązuje konkretny problem inżynierski.
Zadanie: dwa wyniki z jednej kropli
Grupa krwi i hematokryt to dwa parametry, od których zaczyna się decyzja o przetoczeniu krwi. Pomyłka w grupie może wywołać ciężką reakcję hemolityczną, w której organizm niszczy przetoczone krwinki. Hematokryt mówi, jaką część objętości krwi zajmują czerwone krwinki. Gdy spada, może to oznaczać anemię albo krwotok. Gdy rośnie, krew gęstnieje, co zdarza się na przykład przy odwodnieniu.
Szpitale mierzą oba parametry dokładnie, ale potrzebują do tego sprzętu. Hematokryt podają automatyczne analizatory morfologii, które liczą krwinki impulsami elektrycznymi albo światłem lasera. Starszy sposób to wirowanie krwi w cienkiej kapilarze i odczyt, jak wysoki jest słupek krwinek. Grupę krwi oznacza się w kolumnach z żelem albo na płytkach z przeciwciałami. Jak piszą autorzy, takie metody wymagają stabilnego zasilania, przeszkolonego personelu i zwykle ponad mililitra krwi. W karetce, w strefie katastrofy albo w polowym punkcie medycznym tych warunków brakuje.
Tajwański zespół postawił sobie więc wymagania jak w zleceniu dla konstruktora. Urządzenie ma działać bez prądu, z kilku mikrolitrów krwi, w ciągu mniej więcej minuty i bez specjalisty, który zinterpretuje wynik. Do tego ma podawać oba wyniki naraz.
Część pierwsza: wirówka na korbkę
Napęd to ręczna wirówka, którą autorzy nazwali hpFuge, od angielskiego „hand-powered centrifuge”. Kręcenie korbką rozpędza chip do około 3000 obrotów na minutę. Siła odśrodkowa pcha krew przez kanały, więc w chipie nie ma pomp, zaworów ani baterii.
Sama idea ręcznego wirowania nie jest nowa. W 2017 roku zespół ze Stanford University opisał w Nature Biomedical Engineering papierową wirówkę wzorowaną na dziecięcej zabawce, którą rozkręca się sznurkiem. Ta konstrukcja rozdzielała krew, ale nie oznaczała grupy. Nowością w pracy z NTU jest to, co dzieje się wewnątrz chipu.
Ręczna wirówka ma jedną wadę: daje słabszą i mniej równą siłę niż maszyna laboratoryjna. Autorzy zaradzili temu kształtem kanałów, o czym za chwilę.
Część druga: kręty kanał z odczynnikiem
Na chipie są trzy kanały, osobno dla antygenów A, B i Rh. W każdym czeka odczynnik z przeciwciałami. Jeśli krwinki niosą pasujący antygen, przeciwciała sklejają je w grudki. Ten sam odczyn, czyli aglutynację, laboranci obserwują od ponad stu lat na szkiełku albo w probówce.
Żeby krwinki zdążyły się wymieszać z odczynnikiem i skleić, kanał wije się jak serpentyna. Dzięki temu krew spędza w nim więcej czasu, mimo że ręczna wirówka pcha ją słabo. Zespół sprawdzał, jak długość kanału, promień zakrętów i głębokość wpływają na mieszanie, równy przepływ i czytelność wyniku. Z tych prób wyszły parametry, przy których odczyn powtarza się z próbki na próbkę.
Część trzecia: szczelina, która łapie grudki
Najważniejszy element to mikroszczelina na końcu każdego kanału. Ma około 7,5 mikrometra, czyli mniej więcej dziesiątą część grubości ludzkiego włosa. Autorzy uzyskali ją przez chemiczną modyfikację powierzchni kanału.
Szczelina działa jak sito o dobrze dobranych oczkach. Pojedyncze czerwone krwinki przeciskają się przez nią i odpływają dalej. Grudki sklejonych krwinek są za duże, więc zatrzymują się przed szczeliną i tworzą wyraźny czerwony pasek. Jeśli pasek pojawia się w kanale A, krew ma antygen A. Jeśli w kanale Rh, krew jest Rh dodatnia. Wynik widać gołym okiem, bez czytnika i bez aplikacji w telefonie.
Część czwarta: linijka nadrukowana na chipie
Ten sam pasek daje drugi wynik. Im więcej czerwonych krwinek w krwi, tym dłuższy słupek grudek przed szczeliną. Na pokrywie chipu nadrukowano podziałkę, więc długość paska odczytuje się jak na linijce i przelicza na hematokryt.
To pomysłowe połączenie. Odczyn, który rozstrzyga o grupie, jest zarazem miarą ilości krwinek. W tradycyjnym laboratorium to dwa osobne badania na dwóch urządzeniach.
Próba wytrzymałości: co pokazały testy
Najpierw zespół sprawdził, czy długość paska rzeczywiście śledzi hematokryt. W zakresie od 10 do 60 procent zależność okazała się liniowa, ze współczynnikiem dopasowania R² równym 0,99. Ten przedział obejmuje zarówno ciężką anemię, jak i krew wyraźnie zagęszczoną.
Potem przyszła kolej na 21 próbek od pacjentów szpitalnych. Wyniki chipu porównano z automatycznymi analizatorami. Średnia różnica hematokrytu wyniosła 0,126 punktu procentowego. W 95 procentach przypadków różnica mieściła się w przedziale od minus 0,63 do plus 0,88 punktu. Według komunikatu uczelni grupy krwi z chipu także zgadzały się z wynikami szpitalnymi. Odczyt nie zależał od tego, jak szybko ktoś kręcił korbką, co przy ręcznym napędzie jest kluczowe. Całe badanie trwało około minuty i zużyło łącznie 3 mikrolitry krwi.
„Chcemy wynieść dwa podstawowe badania krwi z laboratorium i oddać je w ręce ratowników, bez prądu i bez specjalistycznego szkolenia” – mówi prof. Chen w komunikacie NTU.
Gdzie konstrukcja ma jeszcze luzy
Inżynier patrzy też na to, czego nie sprawdzono. Dwadzieścia jeden próbek to dobry pierwszy test, ale za mało, żeby ocenić rzadkie przypadki. Układów grupowych krwi jest ponad 30, a antygenów na krwinkach ponad 300. Chip sprawdza trzy najważniejsze: A, B i Rh. Z dostępnego streszczenia i komunikatu nie wynika, czy testowano próbki trudne, takie jak słabe odmiany antygenu D albo krew noworodków.
Nie wiadomo też, jak chip zniesie warunki, w których ma pracować. Ratownik używa sprzętu w deszczu, mrozie i upale, często w rękawiczkach i pod presją czasu. Przeciwciała w odczynnikach muszą przetrwać miesiące w magazynie i w torbie medycznej. Odczyt paska na oko jest prosty, ale przy słabym świetle łatwo o pomyłkę o kilka kresek podziałki. Te pytania rozstrzygają dopiero badania terenowe, których jeszcze nie było.
Dlatego oceniamy tę technologię na TRL 4: działający prototyp sprawdzony w laboratorium na prawdziwych próbkach klinicznych, ale bez prób w karetkach, bez produkcji seryjnej i bez dopuszczenia do obrotu.
Trzeba też uczciwie powiedzieć, czego chip nie zastąpi. Przed przetoczeniem krwi szpital i tak potwierdza grupę w pracowni serologicznej i sprawdza zgodność krwi dawcy z krwią biorcy. Dopóki grupa nie jest znana, w nagłych przypadkach podaje się krew grupy 0 Rh ujemnej, którą zwykle można przetoczyć każdemu. Szybki test w terenie nie zmieni tych zasad. Może jednak podpowiedzieć lekarzowi, z czym ma do czynienia, zanim pacjent dojedzie do szpitala, a pomiar hematokrytu pomoże ocenić utratę krwi.
Inni też próbowali
Tajwański zespół nie jest pierwszy, który chce wynieść te badania poza laboratorium. W 2020 roku badacze z University of Cincinnati opisali paskowy test hematokrytu, w którym krew wsiąka w bibułę, a długość czerwonej smugi odczytuje aplikacja w smartfonie. W 2021 roku zespół z University of Toronto pokazał w Clinical Chemistry platformę, która na jednym chipie oznaczała grupę krwi, zgodność z dawcą i hematokryt. Tamten system sterował jednak kroplami za pomocą elektrod, więc potrzebował zasilania.
Na tym tle chip z NTU wyróżnia się połączeniem cech. Nie ma w nim elektroniki, nie potrzebuje telefonu, daje dwa wyniki naraz, a odpowiedź pojawia się w minutę. Taki zestaw pasuje do torby ratownika lepiej niż do szpitalnej pracowni.
Polska perspektywa: karetka, wojsko i przepisy
Dla Polski najbardziej oczywiste zastosowania to ratownictwo medyczne i wojsko. Zespoły ratownictwa wożą sprzęt, który ma być lekki, odporny i niezależny od zasilania. Medycyna pola walki od lat szuka sposobów, żeby przetaczać krew jak najbliżej miejsca zranienia. Do tego dochodzą katastrofy, powodzie i miejsca, gdzie do najbliższego laboratorium jest daleko.
Droga do karetki prowadzi jednak przez przepisy. W Unii Europejskiej wyroby do diagnostyki in vitro podlegają rozporządzeniu 2017/746, znanemu jako IVDR. Testy, które oznaczają grupy krwi w układach AB0 i Rh, trafiają do najwyższej klasy ryzyka D. Oznacza to ocenę przez jednostkę notyfikowaną i udział laboratoriów referencyjnych Unii. Dla producenta to lata pracy i badań klinicznych. Dla użytkownika to gwarancja, że test nie pomyli grup częściej, niż pozwalają normy.
Sam chip jest za to tani w produkcji. To kawałek plastiku z kanałami, odczynnik i nadruk. Polskie firmy i ośrodki akademickie, które zajmują się mikroprzepływami i diagnostyką, mogłyby znaleźć tu miejsce jako dostawcy części albo partnerzy w badaniach walidacyjnych. Pierwszy krok należy jednak do autorów, którzy muszą pokazać, że prototyp działa poza laboratorium.
Co dalej
Kolejne etapy są przewidywalne: więcej próbek, w tym tych trudnych, test trwałości odczynników, próby w prawdziwych karetkach i punktach medycznych, a potem certyfikacja. Każdy z tych etapów może obnażyć słabość, której nie widać przy 21 próbkach w laboratorium.
Mimo to konstrukcja broni się prostotą. Korbka zastępuje silnik, kręty kanał zastępuje mieszadło, szczelina zastępuje czytnik, a nadrukowana podziałka zastępuje analizator. Jeśli prototyp przejdzie próby terenowe, ratownik dostanie dwa wyniki z kropli krwi, zanim karetka ruszy spod miejsca wypadku.
Bibliografia
- Chien Y.-S., Chang C.-Y., Chiu P.-Y., Chen C.-F. Hand-powered micro-slit–gated microfluidics for concurrent blood typing and hematocrit estimation. Biosensors and Bioelectronics 315, 119215 (2027). DOI: 10.1016/j.bios.2026.119215
- Bhamla M. S., Benson B., Chai C., Katsikis G., Johri A., Prakash M. Hand-powered ultralow-cost paper centrifuge. Nature Biomedical Engineering 1, 0009 (2017). DOI: 10.1038/s41551-016-0009
- Frantz E., Li H., Steckl A. J. Quantitative hematocrit measurement of whole blood in a point-of-care lateral flow device using a smartphone flow tracking app. Biosensors and Bioelectronics 163, 112300 (2020). DOI: 10.1016/j.bios.2020.112300
- Sklavounos A. A., Lamanna J., Modi D., Gupta S., Mariakakis A., Callum J., Wheeler A. R. Digital Microfluidic Hemagglutination Assays for Blood Typing, Donor Compatibility Testing, and Hematocrit Analysis. Clinical Chemistry 67, 1699–1708 (2021). DOI: 10.1093/clinchem/hvab180
- Goodnough L. T., Levy J. H., Murphy M. F. Concepts of blood transfusion in adults. The Lancet 381, 1845–1854 (2013). DOI: [10.1016/S0140-6736(13)60650-9](https://doi.org/10.1016/S0140-6736(13)60650-9)
- Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2017/746 w sprawie wyrobów medycznych do diagnostyki in vitro (IVDR). EUR-Lex
- National Taiwan University. Hand-cranked device tells blood type and red cell levels in 1 minute. Phys.org (17.10.2026). Phys.org
Komentarze· 0
Brak komentarzy. Dodaj pierwszy.