Een betere diagnostische nano-sonde ontwikkelen

Biomarkers zijn componenten die aanwezig kunnen zijn in biologische monsters en gerelateerd zijn aan specifieke ziekten. Daarom kunnen artsen biologische monsters van een patiënt analyseren om hun gezondheidstoestand te controleren of om de voortgang van een specifieke therapie te volgen. Meestal moeten deze monsters vóór de analyse worden gezuiverd en verdund, en de huidige medische diagnostische technieken zijn voor deze routineanalyses afhankelijk van zorginstellingen en laboratoria. Dit is een langdurig proces waarvoor opgeleid personeel en dure instrumenten nodig zijn om de monsters op gecentraliseerde locaties te extraheren, transporteren, opslaan, verwerken en analyseren. Bovendien kan tijdens een periode van wereldwijde crisis, zoals de aanhoudende pandemie, de druk van duizenden analyseverzoeken het gezondheidszorgsysteem verzadigen en instorten.

Aan de andere kant zijn point-of-care-apparaten, kleine geautomatiseerde instrumenten, in staat om diagnostiek uit te voeren op gedecentraliseerde locaties en snelle antwoorden te geven. Een voorbeeld van zo’n apparaat is de glucosemeter die mensen met diabetes gebruiken om hun bloedsuikerspiegel te meten. Deze apparaten kunnen de inherente beperkingen overwinnen van het moeten verwerken van een monster via een gecentraliseerd systeem, waardoor iedereen zijn gezondheid vanuit huis kan controleren, simpelweg door een klein bloedmonster te gebruiken dat met een vingerprik is afgenomen.

De ontwikkeling van deze apparaten werd echter belast door de technische uitdagingen in verband met het meten van biologische monsters. Biomarkers voor sommige ziekten en infecties zijn slechts in zeer kleine hoeveelheden in de monsters aanwezig, wat op zijn beurt de uitdaging vormt om uiterst gevoelige detectietechnieken te ontwikkelen. Hoewel het vergroten van het oppervlak van de biosensor de gevoeligheid van het instrument kan vergroten, hebben deze oppervlakken de neiging snel verstopt en vervuild te raken, waardoor ze onbruikbaar worden.

Daartoe heeft het team onder leiding van professor CHO, Yoon-Kyoung van het Center for Soft and Living Matter binnen het Institute for Basic Science (IBS) in Ulsan, Zuid-Korea, onlangs een biosensor ontwikkeld die een methode gebruikt om nanogestructureerde en nanoporeuze oppervlakken te genereren. Deze gecombineerde strategie geeft de sensor niet alleen een ongekende gevoeligheid, maar maakt hem ook bestand tegen aangroei door eiwitten.

Hoewel er eerder geen methode bekend was om op betrouwbare wijze elektroden te maken met behulp van dergelijke nanogestructureerde en nanoporeuze substraten, rapporteerde het team een ​​eenvoudige methode om dergelijke materialen te genereren. Het mechanisme is gebaseerd op de toepassing van elektrische pulsen op een plat goudoppervlak in aanwezigheid van natriumchloride en een oppervlakteactieve stof die in oplossing micellen kan vormen. Deze elektrische pulsen zorgen voor een voorkeursreactie om goud van het oppervlak te etsen en opnieuw af te zetten en op hun beurt nanostructuren te laten groeien en de nanoporiën te vormen. Het gebruik van oppervlakteactieve stof in de vorm van micellen is essentieel voor het succes van deze strategie, omdat het voorkomt dat het materiaal dat wordt geëtst tijdens het proces diffundeert, zodat het opnieuw kan worden afgezet.

De vorming van deze nanostructuren leverde een groot oppervlak op, wat gunstig was voor het verhogen van de gevoeligheid van de testen, terwijl de vorming van nanoporiënsubstraten ideaal was om besmetting van de biologische monsters te voorkomen. Zowel de nanostructuren als de gecombineerde voordelen van de nanoporiën waren de sleutel tot het succes van deze strategie, die kon worden toegepast voor de directe analyse van klinische plasmamonsters.

De onderzoekers demonstreerden deze nieuwe technologie verder door een biosensor te bouwen voor de detectie van prostaatkanker. De elektrode was gevoelig genoeg om onderscheid te maken tussen een groep prostaatkanker en gezonde donoren met slechts een kleine hoeveelheid bloedplasma- of urinemonsters. Er werden geen verdunnings- of voorbewerkingsstappen gebruikt, wat betekent dat de technologie gemakkelijk kan worden gebruikt voor de point-of-care-diagnose van kanker.

Professor Cho verklaarde dat “wij geloven dat deze technologie essentieel is voor de toekomstige ontwikkeling van point-of-care-apparaten en diagnostische tests die werken met biologische monsters. Het vermogen om lage concentraties van relevante biomarkers met robuuste prestaties te detecteren, opent een deur naar mogelijkheden in het gebied van diagnostiek voor kanker, ziekteverwekkers en andere ziekten.”

De bevindingen van dit onderzoek zijn gepubliceerd in Geavanceerde materialen op 17 mei 2022 en de bijbehorende afbeelding is geselecteerd voor de frontispice in het huidige nummer.