Kleine chips beloven een snelle diagnose van de ziekte met één enkele ademhaling

In een wereld die worstelt met een groot aantal gezondheidsbedreigingen – variërend van snel verspreidende virussen tot chronische ziekten en resistente bacteriën – is de behoefte aan snelle, betrouwbare en gebruiksvriendelijke diagnostische tests voor thuis nog nooit zo groot geweest. Stel je een toekomst voor waarin deze tests overal en door iedereen kunnen worden uitgevoerd, met behulp van een apparaat dat zo klein en draagbaar is als je smartwatch. Daarvoor heb je microchips nodig die minuscule concentraties virussen of bacteriën in de lucht kunnen detecteren.

Nieuw onderzoek toont nu aan dat het mogelijk is om microchips te ontwikkelen en te bouwen die niet alleen meerdere ziekten kunnen identificeren op basis van een enkel hoest- of luchtmonster, maar die ook op grote schaal kunnen worden geproduceerd. Het team van de NYU Tandon-faculteit bestaat uit hoogleraar elektrische en computertechniek Davood Shahrjerdi; Herman F. Mark Hoogleraar chemische en biomoleculaire technologie Elisa Riedo; en Giuseppe de Peppo, industrieel universitair hoofddocent in chemische en biomoleculaire technologie en voorheen bij Mirimus.

“Deze studie opent nieuwe horizonten op het gebied van biosensoren. Microchips, de ruggengraat van smartphones, computers en andere slimme apparaten, hebben de manier veranderd waarop mensen communiceren, entertainen en werken. Op dezelfde manier zal onze technologie het vandaag de dag mogelijk maken dat microchips een revolutie teweegbrengen in de gezondheidszorg zorg, van medische diagnostiek tot milieugezondheid”, zegt Riedo,

“De innovatieve technologie die in dit artikel wordt gedemonstreerd, maakt gebruik van veldeffecttransistors (FET’s) – miniatuur elektronische sensoren die biologische markers rechtstreeks detecteren en deze omzetten in digitale signalen – en bieden een alternatief voor traditionele, op kleur gebaseerde chemische diagnostische tests zoals zwangerschapstests thuis”, aldus Dr. Shahrjerdi.

“Deze geavanceerde aanpak maakt snellere resultaten mogelijk, testen op meerdere ziekten tegelijk en onmiddellijke gegevensoverdracht naar zorgverleners”, zegt Sharjerdi, die ook directeur is van de NYU Nanofabrication Cleanroom, een ultramoderne faciliteit waar een aantal van de chips die in dit onderzoek werden gebruikt, werden vervaardigd. Riedo en Shahrjerdi zijn ook de mededirecteuren van het NYU NanoBioX-initiatief.

Veldeffecttransistoren, een hoofdbestanddeel van de moderne elektronica, komen naar voren als krachtige hulpmiddelen in deze zoektocht naar diagnostische instrumenten. Deze kleine apparaatjes kunnen worden aangepast om als biosensoren te functioneren en specifieke ziekteverwekkers of biomarkers in realtime te detecteren, zonder de noodzaak van chemische labels of langdurige laboratoriumprocedures. Door biologische interacties om te zetten in meetbare elektrische signalen, bieden FET-gebaseerde biosensoren een snel en veelzijdig platform voor diagnostiek.

Recente ontwikkelingen hebben de detectiemogelijkheden van FET-biosensoren naar ongelooflijk kleine niveaus gebracht – tot femtomolaire concentraties, oftewel een biljardste van een mol – door de integratie van materialen op nanoschaal zoals nanodraden, indiumoxide en grafeen. Maar ondanks hun potentieel staan ​​FET-gebaseerde sensoren nog steeds voor een aanzienlijke uitdaging: ze hebben moeite om meerdere ziekteverwekkers of biomarkers tegelijkertijd op dezelfde chip te detecteren.

De huidige methoden voor het aanpassen van deze sensoren, zoals het drop-casten van bioreceptoren zoals antilichamen op het oppervlak van de FET, missen de precisie en schaalbaarheid die nodig zijn voor complexere diagnostische taken.

Om dit aan te pakken onderzoeken deze onderzoekers nieuwe manieren om FET-oppervlakken te modificeren, waardoor elke transistor op een chip kan worden aangepast om een ​​andere biomarker te detecteren. Dit zou parallelle detectie van meerdere ziekteverwekkers mogelijk maken.

Maak kennis met thermal scanning probe lithography (tSPL), een baanbrekende technologie die de sleutel kan zijn om deze barrières te overwinnen. Deze techniek maakt de precieze chemische patroonvorming van een met polymeer gecoate chip mogelijk, waardoor de functionaliteit van individuele FET’s met verschillende bioreceptoren, zoals antilichamen of aptameren, mogelijk wordt met resoluties zo fijn als 20 nanometer. Dit komt overeen met het kleine formaat van de transistors in de hedendaagse geavanceerde halfgeleiderchips.

Door zeer selectieve modificatie van elke transistor mogelijk te maken, opent deze methode de deur naar de ontwikkeling van op FET gebaseerde sensoren die een grote verscheidenheid aan ziekteverwekkers op één chip kunnen detecteren, met een ongeëvenaarde gevoeligheid.

Riedo, die een belangrijke rol speelde bij de ontwikkeling en verspreiding van tSPL-technologie, beschouwt het gebruik ervan hier als een verder bewijs van de baanbrekende manier waarop deze nanofabricagetechniek in praktische toepassingen kan worden gebruikt. “tSPL, nu een commercieel verkrijgbare lithografische technologie, is van cruciaal belang geweest om elke FET te functionaliteiten met verschillende bioreceptoren om multiplexing te bereiken”, zegt ze.

In tests hebben FET-sensoren die zijn gefunctionaliseerd met behulp van tSPL opmerkelijke prestaties laten zien, waarbij ze slechts 3 attomolaire (aM) concentraties van SARS-CoV-2-spike-eiwitten en slechts 10 levende virusdeeltjes per milliliter detecteren, terwijl ze effectief onderscheid maken tussen verschillende soorten virussen , inclusief influenza A. Het vermogen om dergelijke kleine hoeveelheden ziekteverwekkers betrouwbaar en met hoge specificiteit te detecteren, is een cruciale stap in de richting van het creëren van draagbare diagnostische apparaten die op een dag in verschillende omgevingen kunnen worden gebruikt, van ziekenhuizen tot huizen.

De studie, nu gepubliceerd in het journaal Nanoschaalwerd ondersteund door Mirimus, een in Brooklyn gevestigd biotechnologiebedrijf, en LendLease, een multinationaal bouw- en vastgoedbedrijf gevestigd in Australië. Ze werken samen met het NYU Tandon-team om respectievelijk ziektedetecterende wearables en thuisapparaten te ontwikkelen.

“Dit onderzoek laat de kracht zien van de samenwerking tussen de industrie en de academische wereld, en hoe deze het gezicht van de moderne geneeskunde kan veranderen”, zegt Prem Premsrirut, president en CEO van Mirimus. “De onderzoekers van NYU Tandon produceren werk dat een grote rol zal spelen in de toekomst van ziektedetectie.”

“Bedrijven zoals Lendlease en andere ontwikkelaars die betrokken zijn bij stadsvernieuwing zoeken naar innovatieve oplossingen als deze om biologische bedreigingen in gebouwen te detecteren.” zegt Alberto Sangiovanni Vincentelli van UC Berkeley, een medewerker van het project. “Dit soort biodefensiemaatregelen zullen een nieuwe infrastructurele laag zijn voor de gebouwen van de toekomst”

Naarmate de productie van halfgeleiders zich verder ontwikkelt en miljarden FET’s op nanoschaal op microchips worden geïntegreerd, wordt het potentieel voor het gebruik van deze chips in biosensortoepassingen steeds haalbaarder. Een universele, schaalbare methode voor het functionaliteitiseren van FET-oppervlakken met precisie op nanoschaal zou de creatie mogelijk maken van geavanceerde diagnostische hulpmiddelen, die in staat zijn om meerdere ziekten in realtime te detecteren, met het soort snelheid en nauwkeurigheid dat de moderne geneeskunde zou kunnen transformeren.