Individuele moleculen detecteren en ziekten diagnosticeren met een smartphone

een TEM-afbeelding (links, minstens 3 keer gereproduceerd) en schetsen (rechts) van de DNA-origami-structuur die wordt gebruikt voor de nanoantenna-assemblage met de positie van de plasmonische hotspot in rood aangegeven. Een representatieve klasse-gemiddelde TEM-afbeelding van de gebruikte DNA-origami wordt rechtsboven weergegeven. b Schema van de NACHOS-assemblage: het DNA-origami-construct is gebonden aan het met BSA-biotine gecoate oppervlak via biotine-neutrAvidine-interacties, gethioleerde DNA-gefunctionaliseerde 100 nm zilverdeeltjes zijn via polyadenine (A20) bindende strengen in de rits aan de DNA-origami nano-antenne bevestigd -achtige geometrie om de afstand tussen de origami en de nanodeeltjes te minimaliseren30. c TEM-opname van een NACHOS met 100 nm zilveren nanodeeltjes (minimaal 3 keer gereproduceerd). d Transiënten van fluorescentie-intensiteit van één molecuul, gemeten met confocale microscopie, genormaliseerd tot hetzelfde excitatievermogen van een enkele Alexa Fluor 647-kleurstof die is verwerkt in een DNA-origami (oranje) en in een DNA-origami-nano-antenna met twee 100 nm zilveren nanodeeltjes (blauw) bij 639 nm e. Fluorescentie-versterkingsverdeling van Alexa Fluor 647 gemeten in NACHOS met 100 nm zilveren nanodeeltjes. Een totaal aantal van 164 en 449 afzonderlijke moleculen in de referentie (meer voorbeelden worden gegeven in aanvullende figuur 3) en NACHOS-structuren werden respectievelijk geanalyseerd. Credit: Nature Communications (2021). DOI: 10.1038 / s41467-021-21238-9

Onderzoekers van Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) in München laten zien dat het licht dat door een enkel molecuul wordt uitgezonden, kan worden gedetecteerd met een goedkope optische opstelling. Hun prototype zou medische diagnostiek kunnen vergemakkelijken.

Biomarkers spelen een centrale rol bij de diagnose van ziekten en de beoordeling van het beloop ervan. Onder de markers die nu worden gebruikt, zijn genen, eiwitten, hormonen, lipiden en andere klassen van moleculen. Biomarkers zijn te vinden in het bloed, in hersenvocht, urine en verschillende soorten weefsels, maar de meeste hebben één ding gemeen: ze komen voor in extreem lage concentraties en zijn daarom technisch uitdagend om te detecteren en te kwantificeren.

Veel detectieprocedures gebruiken moleculaire sondes, zoals antilichamen of korte nucleïnezuursequenties, die zijn ontworpen om te binden aan specifieke biomarkers. Wanneer een sonde zijn doel herkent en eraan bindt, geven chemische of fysische reacties aanleiding tot fluorescentiesignalen. Dergelijke methoden werken goed, mits ze gevoelig genoeg zijn om de relevante biomarker te herkennen bij een hoog percentage van alle patiënten die het in hun bloed dragen. Voordat dergelijke op fluorescentie gebaseerde tests in de praktijk kunnen worden toegepast, moeten bovendien de biomarkers zelf of hun signalen worden versterkt. Het uiteindelijke doel is om medische screening rechtstreeks bij patiënten mogelijk te maken, zonder dat de monsters voor analyse naar een ver laboratorium hoeven te worden gestuurd.

Moleculaire antennes versterken fluorescentiesignalen

Philip Tinnefeld, die een leerstoel fysische chemie bekleedt aan LMU, heeft een strategie ontwikkeld voor het bepalen van niveaus van biomarkers die in lage concentraties aanwezig zijn. Hij is erin geslaagd om DNA-sondes te koppelen aan kleine deeltjes goud of zilver. Paren van deeltjes (‘dimeren’) fungeren als nano-antennes die de fluorescentiesignalen versterken. De truc werkt als volgt: Interacties tussen de nanodeeltjes en inkomende lichtgolven versterken de lokale elektromagnetische velden, en dit leidt weer tot een enorme toename van de amplitude van de fluorescentie. Op deze manier kunnen bacteriën die antibiotica-resistentiegenen en zelfs virussen bevatten, gericht worden opgespoord.

“Op DNA gebaseerde nano-antennes zijn de afgelopen jaren bestudeerd”, zegt Kateryna Trofymchuk, mede-eerste auteur van het onderzoek. “Maar de fabricage van deze nanostructuren brengt uitdagingen met zich mee.” De onderzoeksgroep van Philip Tinnefeld is er nu in geslaagd om de componenten van hun nano-antennes nauwkeuriger te configureren en om de DNA-moleculen die dienen als capture-probes op de plaats van signaalversterking te positioneren. Samen zorgen deze modificaties ervoor dat het fluorescentiesignaal effectiever kan worden versterkt. Bovendien kunnen in het minuscule volume, dat in de orde van grootte van zeptoliters is (een zeptoliter is gelijk aan 10-21 liter), nog meer moleculen worden opgevangen.

De hoge mate van positioneringcontrole wordt mogelijk gemaakt door DNA-nanotechnologie, die de structurele eigenschappen van DNA benut om de assemblage van allerlei soorten nanoschaalobjecten te sturen – in extreem grote aantallen. “In één monster kunnen we tegelijkertijd miljarden van deze nano-antennes produceren, met behulp van een procedure die in feite bestaat uit het samen pipetteren van een paar oplossingen”, zegt Trofymchuk.

Routinematige diagnostiek op de smartphone

“In de toekomst”, zegt Viktorija Glembockyte, ook mede-eerste auteur van de publicatie, “zou onze technologie kunnen worden gebruikt voor diagnostische tests, zelfs in gebieden waar de toegang tot elektriciteit of laboratoriumapparatuur beperkt is. We hebben aangetoond dat we kleine fragmenten van DNA in bloedserum, met behulp van een draagbare, op smartphones gebaseerde microscoop die werkt op een conventionele USB-voedingseenheid om de test te volgen. ” Nieuwere smartphones zijn meestal uitgerust met redelijk goede camera’s. Afgezien daarvan is alles wat nodig is een laser en een lens – twee gemakkelijk verkrijgbare en goedkope componenten. De LMU-onderzoekers gebruikten dit basisrecept om hun prototypes te construeren.

Ze toonden aan dat DNA-fragmenten die specifiek zijn voor antibioticumresistentiegenen in bacteriën, door deze opstelling konden worden gedetecteerd. Maar de test zou gemakkelijk kunnen worden aangepast om een ​​hele reeks interessante doelsoorten, zoals virussen, te detecteren. Tinnefeld is optimistisch: “Het afgelopen jaar heeft aangetoond dat er altijd behoefte is aan nieuwe en innovatieve diagnostische methoden, en misschien kan onze technologie ooit bijdragen aan de ontwikkeling van een goedkope en betrouwbare diagnostische test die thuis kan worden uitgevoerd.”