Een nieuwe biosensor voor het detecteren van neurogeneratieve ziekte-eiwitten

Door meerdere geavanceerde technologieën in één systeem te combineren, hebben EPFL-onderzoekers een belangrijke stap voorwaarts gezet bij het diagnosticeren van neurodegeneratieve ziekten (NDD’s) zoals de ziekte van Parkinson (PD) en de ziekte van Alzheimer (AD).

Dit nieuwe apparaat staat bekend als de ImmunoSEIRA-sensor, een biosensing-technologie die de detectie en identificatie mogelijk maakt van verkeerd gevouwen eiwitbiomarkers geassocieerd met NDD’s. Het onderzoek, gepubliceerd in Wetenschappelijke vooruitgangmaakt ook gebruik van de kracht van kunstmatige intelligentie (AI) door neurale netwerken te gebruiken om ziektestadia en progressie te kwantificeren.

Deze aanzienlijke technologische vooruitgang is niet alleen veelbelovend voor de vroege detectie en monitoring van NDD’s, maar ook voor het beoordelen van behandelingsopties in verschillende stadia van de progressie van de ziekte.

De behandeling van neurodegeneratieve ziekten staat voor een grote uitdaging vanwege het gebrek aan effectieve diagnostische methoden voor vroege detectie en monitoring van ziekteprogressie. Misfolding van eiwitten, een veel voorkomend mechanisme bij neurodegeneratie, is geïdentificeerd als een sleutelgebeurtenis in ziekteprogressie.

Er wordt verondersteld dat gezonde eiwitten zich eerst verkeerd vouwen tot oligomeren in vroege stadia en tot fibrillen in latere stadia van de ziekte. Deze verkeerd gevouwen eiwitaggregaten circuleren in de hersenen en biovloeistoffen en hopen zich ook op als afzettingen in de hersenen van overleden NDD-patiënten. Maar de ontwikkeling van hulpmiddelen om deze veelbetekenende tekenen van ziekte te detecteren – bekend als biomarkers – is tot nu toe ongrijpbaar gebleven. De hindernissen voor nauwkeurige detectie zijn talrijk, inclusief de beperkingen van de huidige technologie om verschillende eiwitaggregaten nauwkeurig te scheiden en te kwantificeren.

Meerdere geavanceerde technologieën combineren in één sensor

Om deze geavanceerde NDD-biomarkersensor te maken, hebben onderzoekers van professor Hatice Altug’s Bionanophotonic Systems Laboratory (BIOS) en professor Hilal Lashuel’s Laboratory of Molecular Neurobiology and Neuroproteomics (LMNN) meerdere wetenschapsgebieden gecombineerd: eiwitbiochemie, optofluidics, nanotechnologie en kunstmatige intelligentie ( AI).

“In tegenstelling tot de huidige biochemische benaderingen die berusten op het meten van de niveaus van deze moleculen, is onze aanpak gericht op het detecteren van hun abnormale structuren. Deze technologie stelt ons ook in staat om de niveaus van de twee belangrijkste abnormale vormen die betrokken zijn bij de ontwikkeling en progressie van NDD’s, oligomeren, te differentiëren.” en fibrillen’, zegt Lashuel

De ImmunoSEIRA-sensor maakt gebruik van een technologie die SEIRA-spectroscopie (oppervlakte-verbeterde infraroodabsorptie) wordt genoemd. Met deze methode kunnen wetenschappers de vormen van specifieke ziekte-geassocieerde moleculen, bekend als biomarkers, detecteren en analyseren die geassocieerd zijn met neurodegeneratieve ziekten. De sensor is uitgerust met een unieke immunoassay, die werkt als een moleculaire detective, die deze biomarkers met hoge precisie identificeert en vastlegt.

“In onze paper presenteren we een technologische oplossing die nanoplasmonics, cleanroom-nanofabricage, microfluïdica, immunoassay, AI en geavanceerde biochemische methoden integreert”, zegt Ph.D. student en hoofdauteur van het artikel Deepthy Kavungal. “Onze ImmunoSEIRA-sensor vertoont structurele gevoeligheid en het vermogen om een ​​panel van complementaire biomarkers met hoge specificiteit te monitoren uit kleine monstervolumes in complexe biomatrices.”

De kracht van nanotechnologie en kunstmatige intelligentie bundelen

De ImmunoSEIRA-sensor is voorzien van gouden nanorod-arrays met antilichamen voor specifieke eiwitdetectie. Het maakt real-time specifieke vangst en structurele analyse van doelbiomarkers uit extreem kleine monsters mogelijk. Neurale netwerken, een subset van AI-algoritmen, worden vervolgens gebruikt om de aanwezigheid van specifieke verkeerd gevouwen eiwitvormen, de oligomere en fibrillaire aggregaten, te identificeren, waardoor een ongekend niveau van detectienauwkeurigheid wordt bereikt naarmate de ziekte voortschrijdt.

Lashuel is van mening dat dit een significante vooruitgang is in het opsporen van ziekten, eraan toevoegend dat “aangezien het ziekteproces nauw verband houdt met veranderingen in de eiwitstructuur, wij geloven dat structurele biomarkers, vooral wanneer geïntegreerd met andere biochemische en neurodegeneratie biomarkers, de weg kunnen effenen voor nauwkeurigere diagnose en monitoring van ziekteprogressie.”

Het EPFL-onderzoeksteam ging een stap verder om aan te tonen dat de ImmunoSEIRA-sensor kan worden gebruikt in echte klinische omgevingen, dwz in biovloeistoffen. Ze waren in staat om nauwkeurig de specifieke signatuur van abnormale fibrillen te identificeren, een belangrijke indicator van neurodegeneratieve ziekten, zelfs in complexe vloeistoffen zoals menselijk hersenvocht (CSF).

Professor Altug legt uit dat de volgende stap met deze nieuwe technologie “is om door te gaan met het uitbreiden van zijn mogelijkheden en het evalueren van zijn diagnostisch potentieel bij de ziekte van Parkinson en het groeiende aantal ziekten veroorzaakt door verkeerde vouwing en aggregatie van eiwitten.”

De resultaten van deze studie betekenen een aanzienlijke vooruitgang op het gebied van biosensing, infraroodspectroscopie, nanofotonica en biomarkers voor neurodegeneratieve ziekten. De inzet van de AI-ondersteunde ImmunoSEIRA-sensor is een welkome vooruitgang voor vroege NDD-detectie, ziektemonitoring en beoordeling van de werkzaamheid van geneesmiddelen, waarmee tegemoet wordt gekomen aan de kritieke behoefte aan tijdige interventie en behandeling van neurodegeneratieve ziekten.