Microfluidics Application: What is a Biomarker for Detection?

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Microfluidics Application: Biomarker for Detection through Microfluidic Chips

Biomarkers are the physiological,biochemical or morphological changes that occur as a result of exposure,generally, to a toxic substance. The Biomarkers are only the measures/responses at  molecular and cellular level because it is the perfect situation to study the cause-effect relationships and mechanisms of action of these substances.
It is important to understand their mechanisms of action to develop medical or detection devices. Other features that allow its use is the  reproducibility, sensitivity, specificity and especially they present a very fast response time for detection, among other things.

Biomarkers used for Detection through Microfluidics

Biomarkers used for Detection through Microfluidics

 

Due to these features  it is an instrument widely used both in the environmental field and in the health industry.

It is essential that the biomarker response time is short , so that it can be used as “early warning system” and if also shows a diagnostic value, it can then be used predictively.

We can distinguish two types of biomarkers, biomarkers that indicate exposure and those that indicate damage from exposure.

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Microfluidics Application: What is the Polymerase Chain Reaction PCR?

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Microfluidics Application: Polymerase Chain Reaction PCR

The polymerase chain reaction (PCR) is a biochemical method designed to amplify a single or a few copies of a piece of DNA across several orders of magnitude, generating thousands to millions of copies of a particular DNA sequence.

The technique was developed in 1984 by the American biochemist Kary Mullis who received the Nobel Prize for developing it in 1993. The technique amplifies specific DNA fragments from minute quantities of source DNA material, even when that source DNA is of relatively poor quality.

PCR has developed into the standard method for the identification and replication of DNA strands and is nowadays a key element in modern techniques of genetic analysis which finds its application ranging from pathogen detection to genetic fingerprinting in forensic laboratories.

DNA Structure

DNA Structure

 

Due to its high specificity, PCR is playing now a major role in future individualized medicine, namely in point-of-care diagnostics (POC).

The principle of PCR is the multiplication of defined strands of DNA with the use of enzymatic polymerase molecules. The duplication of a DNA strand is carried out in three principle steps:

– Denaturation: In the first step, the mix is heated to 95 ºC so that the hydrogen bonds that stabilize the original double stranded DNA break and it splits in two single-stranded DNA-molecules.
– Annealing: This step takes place at lower temperatures, between 50 and 65°C, and once the temperature is reduced, the small complementary DNA-molecules (so-called primers) attach themselves to defined sites of the single-strand DNA molecules (“prime annealing”).
– Elongation: The temperature is raised up to 72 ºC, specific to the thermostable DNA polymerase. The polymerase molecules attach themselves to the single-stranded DNA and form the complementary DNA strand (“primer elongation”), leading to a final identical copy of the original double-stranded DNA.

 

These two molecules then undergo the same cycle again and again, which leads to an exponential growth of the number of identical DNA strands which at the end of the process exists in a sufficient amount to be used for further analysis or other purposes.

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Proyecto Financiado por MINECO: Microfluidic Chip Biosensor based in DNA – INNPACTO Subprogram

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Microfluidic Chip: Biosensor based on DNA

microLIQUID has participated in a public funded project by the MINISTERIO de ECONOMÍA Y COMPETITIVIDAD through the INNPACTO Subprogram (Reference Number: IPT-2011-1290-010000)

OBJETIVOS

Desarrollo de un BIOSENSOR Universal basado en ADN para Diagnóstico rápido de patógenos: aplicación específica asociada a producción en ganado bovino

El objetivo principal de este proyecto financiado con fondos públicos es el diseño, desarrollo y validación de un novedoso dispositivo universal abierto, compacto, de fácil manejo basado en la tecnología Microarray LDR con una fase pre-analítica que permita trabajar sobre diferentes matrices y que posibilite una rápida detección e identificación inequívoca simultánea de patógenos responsables de patologías infecciosas asociadas a producción en ganado bovino, incluyendo el estudio de bacterias, algas, mohos y virus.

microfluidic biosensor of DNA

Microfluidic Chip: biosensor of DNA

Como Objetivos específicos:

Validación del prototipo, Pre diseño Industrial del microarray  y diseño del sistema Lab on a Chippara su posible comercialización, fase previa para el establecimiento de un sistema de prestación de servicios clínicos con el microarray.

Se complementa con una aplicación específica para detección precoz en etapa subclínica de patógenos, de difícil erradicación asociados a la producción en bovinos, válido para diferentes matrices (leche, ubre o muestras ambientales)basada en la tecnología de microarray (dispositivo Lab on a Chip)

Implantación y nuevos desarrollos de las últimas tecnologías y sistemáticas de diagnóstico rápidas basadas en métodos moleculares rápidos automatizables con alta densidad de integración de dianas (análisis simultáneo de cientos de resultados) con menos exigencia de recursos, de coste ajustado, amistosas y que no requieren personal tan cualificado, este caso para el diagnostico precoz de MAMITIS, especialmente en ausencia de sintomatología(etapa subclínica), específicamente aplicada a la realidad de las granjas.

Que el tiempo de diagnóstico sea inferior a 24 horas, para tomar acciones mejores y más rápidas en el control preventivo de esta enfermedad, especialmente en casos asintomáticos como en la mamitis subclínica.

Desarrollar una herramienta válida para el control preventivo de mamitis y por tanto para control de riesgo en granja.

Microfluidics laboratory

La propuesta tecnológica diseñada se basa en un biochip de ADN de cámara múltiple asociado a una plataforma de microarray y a una PCR integradas donde:
– El biosensor integra todas las etapas del proceso (extracción, amplificación y detección) en un único dispositivo con una seguridad diagnóstica muy superior a los métodos tradicionales, permitiendo incluso portabilidad.
– Se utiliza la novedosa tecnología de la reacción de detección de la ligasa (LDR), más eficiente, especifica y rápida con un microarray universal que permite un diseño configurable según el grupo/s que interese identificar permitiendo escoger perfiles específicos de biotipos de zonas características y añadir o modificar especies en el mismo chip con el consecuente ahorro en costes.
– La combinación de sondas en la reacción de ligación y de un microarray universal crea un sistema integral, compacto, completamente abierto que en cada momento se puede adaptar a las necesidades del usuario, empleando más o menos sondas o intercambiándolas a conveniencia. No hay soluciones tecnológicas comercializadas equiparables en el mercado.
La primera aplicación diseñada pertenece al sector agroalimentario y salud animal. Su selección de debe al elevado número de diferentes especies y grupos diana involucrados que comparte con numerosas patologías (incluyendo salud humana) Grupos de especies incluidos en el biosensor), experiencia del grupo investigador, así como orientación al mercado dada su relación directa con la productividad entre otros aspectos

PARTICIPANTES

REIA Análisis Especiales S.A. , Universidades de Santiago de Compostela ,  microLIQUID S.L. Feiraco S. Coop Gallega, Vacunek S.L. e IK4-Ikerlan 

DURACIÓN

2011- 2013

FINANCIACIÓN

MINECO – Subprograma INNPACTO  (Nº Exp: IPT-2011-1290-010000)

MINISTERIO DE ECONOMIA Y COMPETITIVIDAD

MINISTERIO DE ECONOMIA Y COMPETITIVIDAD

 

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