High-throughput biosensor meet metabolietniveaus die duiden op ziekte

Onderzoekers van het Nano Life Science Institute (WPI-NanoLSI), Kanazawa University, hebben een biosensor ontwikkeld die de gevoeligheid voor 1-methylnicotinamide (1-MNA) in urine met ordes van grootte verbetert zonder dat er zuivering van het monster nodig is. Het werk is gepubliceerd in het dagboek Analytische Chemie.

Metabolieten zijn een veelvoorkomende indicator van ziekte. Met name 1-MNA-niveaus worden verhoogd door kanker, leverziekte, obesitas en metabole ziekte. Momenteel worden massaspectrometrie en nucleaire magnetische resonantiemetingen veel gebruikt om hoeveelheden metabolieten in monsters te meten, maar ze zijn duur en ingewikkeld, waardoor hun wijdverbreide gebruik beperkt is.

In plaats daarvan gebruiken Masaya Ueno, Tomoki Ogoshi en Atsushi Hirao van Kanazawa WPI-NanoLSI een bepaald type pillarareenmolecuul als biosensor. Daarmee omzeilen ze de noodzaak van een hoge zuivering van andere 1-MNA-biosensormoleculen en verbeteren ze tegelijkertijd de gevoeligheid en specificiteit.

1-MNA wordt in het lichaam geproduceerd door de methylering van nicotinamide (Nam) door nicotinamide N-methyltransferase (NNMT) tijdens het metabolisme van het vitamine B3-vitameer niacine.

Als zodanig biedt het een maat voor NNMT-activiteit, die verhoogd is bij sommige kankers. Er is bewijs dat 1-MNA-niveaus correleren met hoe agressief de tumor is en het onderdrukken van het gen voor NNMT vermindert bepaalde gedragsmatige symptomen van de ziekte.

De onderzoekers leggen in hun rapport uit dat “het monitoren van de NNMT-expressie en -activiteit bij patiënten door kwantificering van 1-MNA belangrijk is voor het verhelderen en diagnosticeren van hun pathologie.”

Eerder hadden ze al enig potentieel voor de moleculaire pijler aangetoond[6]areen gefunctionaliseerd met 12 carboxylaatanionen (P6AC) als een 1-MNA-sensor, omdat het zich bindt aan 1-MNA en fluorescentie remt als gevolg van foto-geïnduceerde elektronenoverdracht.

Er was echter een uitgebreide zuivering van het monster nodig en zelfs toen konden de millimolaire concentraties in muizenurine worden gedetecteerd, maar de P6AC-biosensor was niet gevoelig genoeg om de micromolaire concentraties te detecteren die in kweeksupernatanten van menselijke kankercellen werden aangetroffen.

Om een ​​biosensor met een betere gevoeligheid te vinden, onderzochten de onderzoekers de binding tussen 1-MNA en pilaar[6]areen gefunctionaliseerd met sulfonaatgroepen (P6AS).

Ze ontdekten dat de bindingsaffiniteit 700 keer groter was dan voor P6AC, wat leidde tot een biosensor met sub-micromolaire gevoeligheid, zelfs in ongezuiverde menselijke urine, hoewel detectie van de hogere concentraties in muizenmuis beter was. De onderzoekers merkten echter op dat detectie in menselijk serum niet mogelijk was vanwege de hogere niveaus van autofluorescentie.

Ter vergelijking: de detectiegevoeligheid die mogelijk is met massaspectrometrie is nanomolair, maar de doorvoer is veel lager. De onderzoekers suggereren dat de hoge doorvoer van de P6AS-biosensor deze geschikt zou kunnen maken voor het screenen van duizenden potentiële NNMT-remmers, wat kan helpen bij de behandeling van ziekten zoals leverziekte en kanker.

De onderzoekers verklaren de hogere gevoeligheid dankzij de sterkere zuurgraad van sulfonaatgroepen vergeleken met carboxylaatgroepen. Ze concluderen: “Verdere verbetering van onze strategie zal bijdragen aan high-throughput screening van NNMT-remmers, diagnose van leverziekten en beeldvorming van menselijke kankercellen in vivo.”