Biosensor op nanoschaal laat wetenschappers moleculen in realtime controleren

Zou het niet verbazingwekkend zijn als we continu de moleculaire toestand van ons lichaam konden volgen? Overweeg de oplossingen die het mogelijk kunnen maken, van geoptimaliseerde medicijnafgifte tot vroege detectie van dodelijke ziekten zoals kanker.

De afgelopen twee decennia heeft onderzoek gericht op dit werkelijkheid door apparaten te ontwikkelen die een chemische of biologische reactie in ons lichaam meten en hun metingen te sturen als een signaal dat van buiten het lichaam leesbaar is. Deze apparaten, Biosensors genaamd, kunnen nu kleine moleculen zoals medicijnen in realtime spotten, maar ze werken slechts kort. Er is nog steeds geen enkele betrouwbare biosensor die veel verschillende stoffen in ons lichaam over lange stukken kan volgen.

Om deze beperking aan te pakken, hebben onderzoekers van Stanford nu een modulaire biosensor ontworpen die de stabiele elektrochemische nanostructureerde sensor voor bloed in situ tracking (sensbit) -systeem (sensbit) -systeem (sensbit), dat tot een week volledig functioneel is gebleven, is gebleven wanneer ze rechtstreeks in de bloedvaten van levende ratten zijn geïmplanteerd.

In een paper gepubliceerd in Nature Biomedical Engineeringhet Stanford -onderzoeksteam toonde aan dat Sensbit continu konden volgen van geneesmiddelenconcentratieprofielen. Het team verkreeg maximale signaaleffectiviteit in zowel levende rattenmodellen als menselijk serum.

Darmcontrole

Gedurende een decennium ontwierpen onderzoekers in het laboratorium van SOH een moleculaire schakelaar die kon binden aan kleine moleculen van interesse in het lichaam om een ​​leesbare signaaluitgang te geven om continu de concentraties van de moleculen te meten. Deze schakelaars zijn zelf vatbaar voor afbraak vanwege de natuurlijke immuunresponsen van het lichaam.

Om dit probleem te helpen voorkomen, verborg het team in hun vorige werk de schakelaars in nanoporeuze elektroden. Signalen van deze elektroden kunnen vervolgens voor het eerst de geneesmiddelniveaus in de tumor van een levende rat meten. Ondanks de inspanning kon deze technologie nog steeds niet lang genoeg meegaan in een organisme vanwege aanvallen van het immuunsysteem.

“We hadden een materiaalsysteem nodig dat het doelwit kon voelen terwijl we de moleculaire schakelaars beschermen, en dat is wanneer ik dacht, wacht, hoe lost de biologie dit probleem op?” zei Yihang Chen, de eerste auteur van de krant, die dit werk uitvoerde terwijl hij zijn Ph.D. in materiaalwetenschap en engineering onder SOH.

Chen en zijn team namen inspiratie uit de menselijke darm en ontwerpt het sensbit -systeem om de natuurlijke verdediging van de darm na te bootsen. Net als microvilli -voering van de darmwand, beschermt het 3D -nanoporeuze goudoppervlak van de sensor zijn gevoelige elementen van interferentie, terwijl een beschermende coating gemodelleerd na darmslijmvlies helpt afbraak te voorkomen. Met dit bio -geïnspireerde ontwerp kan Sensbit stabiel en gevoelig blijven, zelfs na vele dagen van continue blootstelling aan stromend bloed in levende dieren.

Bij het testen van Sensbit ontdekte het Chen -team dat het na een maand meer dan 70% van zijn signaal behield in onverdunste menselijke serum (het deel van het bloed dat achterblijft na cellen en stollingsfactoren worden verwijderd) en meer dan 60% na een week te hebben geïmplanteerd in de bloedvaten van levende ratten. Voor zover de onderzoekers weten, was de vorige limiet voor intraveneuze blootstelling voor dit type apparaat 11 uur, terwijl Sensbit 7 dagen duurde. Sensbit zou dus betrouwbare, realtime moleculaire monitoring kunnen opleveren in complexe biologische vloeistoffen.

Een nieuwe benadering van het lezen van onze biologie

Ons lichaam heeft een zeer gecoördineerd playbook van wat te doen wanneer een virus, bacteriën of een andere indringer ons natuurlijke systeem probeert te verstoren. Als we zouden kunnen begrijpen hoe het lichaam coördineert met behulp van deze moleculen, zouden we mogelijk infecties kunnen oppakken voordat symptomen zich voordoen.

Het gebruik van het SensBit -systeem is niet de enige strategie voor continue moleculaire monitoring; Toch lijkt het aanzienlijk beter te zijn dan vergelijkbare apparaten die in bloed zijn getest.

Continue moleculaire monitoring kan de deur openen voor een nieuw medisch paradigma – een waar we niet alleen de ziekte eerder kunnen detecteren, maar ook mogelijk behandelingen in realtime aanpassen.

“Ik geloof dat ons werk bijdraagt ​​aan het leggen van de basis voor deze toekomst,” zei Chen, “en ik ben gemotiveerd door de mogelijkheid om die grenzen vooruit te verleggen.”

SOH is de WM Keck Foundation Professor in Electrical Engineering. Hij is ook lid van Stanford Bio-X, de Wu Tsai Human Performance Alliance, het Maternal & Child Health Research Institute, het Stanford Cancer Institute en het Wu Tsai Neurosciences Institute en een faculteit Fellow van Sarafan Chem-H.

Extra co-auteurs van Stanford zijn onder meer voormalig postdoctorale fellow Kaiyu Fu, voormalig veterinaire bewoner Renee Cotton, voormalig postdoctorale wetenschapper Zihao OU, postdoctorale wetenschapper Jean won Kwak, voormalig onderzoeksingenieur Jun-chau Chien, voormalig postdoctoral-geleerde Vladimir Kesler, voormalig postdoctale wetenschapper hnin yin yin nyein en Michael Eisenstein, een afdeling van de afdeling Electrical Engineering.