Een nieuwe aanpak voor snelle en kosteneffectieve detectie van pathogenen

Het vermogen om ziekten in een vroeg stadium op te sporen of zelfs het begin ervan te voorspellen zou zowel voor artsen als voor patiënten van groot voordeel zijn. Een onderzoeksteam onder leiding van Dr. Larysa Baraban van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ontwikkelt intelligente, geminiaturiseerde biosensorapparaten en -systemen die nanomaterialen gebruiken om biomoleculen en cellen te bepalen, evenals biochemische reacties of processen als ziektemarkers.

De huidige publicatie van het team in Biosensoren en bio-elektronica beschrijft de ontwikkeling van een draagbaar testsysteem ter grootte van een handpalm dat tegelijkertijd tot 32 analyses van één monster kan uitvoeren.

Er bestaan ​​verschillende mogelijkheden en mechanismen om ziekteverwekkers in lichaamsvloeistoffen op te sporen. Een optie die Baraban onderzoekt bij het HZDR-Institute of Radiopharmaceutical Cancer Research is de detectie met behulp van veldeffecttransistors (FET’s) uit het domein van de elektronica.

Het werkingsprincipe is eenvoudig: een gedefinieerde elektrische stroom vloeit van A naar B. Deze stroom kan worden geregeld door de elektrische potentiaal op het oppervlak van een poort, die functioneert als een nauwkeurige, continue klep.

Ziekterelevante biomoleculen binden zich aan het poortoppervlak en veranderen daardoor de elektrische potentiaal en dus ook de stroom. Als er geen significante verandering in de stroom optreedt, hebben er geen biomoleculen aan het sensoroppervlak gebonden. Aan de andere kant betekent een verandering in de stroom dat ziektegerelateerde moleculen op het sensoroppervlak kunnen worden gedetecteerd.

Deze biosensoren kunnen worden ontworpen om specifiek verschillende biomoleculen te detecteren. Verschillende ziekteverwekkers veroorzaken verschillende elektrische spanningen en dus verschillende stromen. Kankercellen veroorzaken andere stromingen dan bijvoorbeeld een griepvirus.

Ontwikkeling van herbruikbare transistors

Het grote nadeel van traditionele elektronische, op FET gebaseerde biosensoren is dat de testoppervlakken niet herbruikbaar zijn en dat de hele transistor na elke bemonstering moet worden weggegooid. Omdat transistors kostbare halfgeleidermaterialen bevatten, is dit proces zowel duur als schadelijk voor het milieu.

Om die reden gingen Baraban en haar afdeling Nano-Microsystems for Life Sciences nog een stap verder en probeerden de potentiële veranderingen niet rechtstreeks op het oppervlak van de transistor te meten, maar op een afzonderlijke elektrode die is verbonden met de poort van de transistor. “Dit geeft ons de mogelijkheid om de transistor meerdere keren te gebruiken. We scheiden de poort en noemen deze een ‘uitgebreide poort’, dat wil zeggen een uitbreiding van het testsysteem.”

Maar dat is niet alles. Het team dacht nog verder vooruit en ging een nieuwe uitdaging aan. “Wij willen uiteraard graag dat dit systeem meerdere analyses tegelijk uitvoert.” De onderzoekers slaagden erin uitgebreide poorten met 32 ​​testpads te ontwikkelen. Baraban legt uit: “Dit betekent dat een monster tegelijkertijd op elk van de pads kan worden getest op een andere ziekteverwekker.”

De wetenschappers demonstreerden eerst het werkingsprincipe met behulp van interleukine-6 ​​(IL-6), een molecuul dat verantwoordelijk is voor de communicatie tussen immuuncellen. “Of het nu gaat om een ​​simpele verkoudheid of kanker, de concentratie van IL-6 verandert. Verschillende ziekten en verschillende stadia van een ziekte veroorzaken verschillende klinische beelden. Daarom is IL-6 zeer geschikt als marker.”

Nanodeeltjes om de gevoeligheid te verhogen

Om de methode nog gevoeliger te maken, gebruikte het team van Baraban ook nanostructuren. Nanodeeltjes concentreren of lokaliseren de lading om het spanningssignaal te versterken.

“De gevoeligheid van de tests is aanzienlijk hoger dan wanneer we zonder nanodeeltjes werken.” Omdat er inmiddels kant-en-klare nanodeeltjeskits voor onderzoek op de markt zijn, is deze methode eenvoudig te gebruiken. De HZDR-wetenschappers werken momenteel met gouden nanodeeltjes. In de toekomst willen ze ook graag andere nanodeeltjes bestuderen.

Als resultaat van het huidige onderzoek is er een functioneel, handzaam testsysteem ontstaan, bestaande uit een transistor en tweeëndertig testpads, waarmee in zeer korte tijd verschillende ziekteverwekkers kunnen worden gedetecteerd.

In de toekomst zou het beschreven testsysteem bijvoorbeeld gebruikt kunnen worden om de voortgang van immuuntherapieën bij kankerpatiënten te monitoren. Een andere mogelijkheid zou zijn om de ernst en het beloop van een virale ziekte zoals de griep of COVID-19 al vanaf het allereerste begin te voorspellen.

In vergelijking met bestaande technologieën is het nieuwe systeem kosteneffectiever en sneller. Om die reden hopen Baraban en haar team nu op interesse uit de commerciële sector.