Nanoratels wakkeren nieuwe mogelijkheden voor ziektedetectie aan

(a) Stappen in nanorattle-synthese: 20 nm Au-bollen, groei van Ag-kubus, galvanische vervanging resulterend in Au @ Ag-kooi, kleurstofbelading, uiteindelijke Au-coating en DNA-probe-functionaliteit. (b) TEM van nanorammelaar. (c) Hybridisatieschema van hybridisatietest met nanorattle en magnetische kralen. (d) Nanorattle-teststappen: meng magnetische kralen, nanorattles en doelwit; incuberen; concentreren; en detecteren. TEM, transmissie-elektronenmicroscopie. Credit: Journal of Raman-spectroscopie (2022). DOI: 10.1002/jrs.6447

Onderzoekers van de Duke University hebben een uniek type nanodeeltje ontwikkeld, een ‘nanorattle’ genaamd, dat het licht dat wordt uitgestraald vanuit de buitenste schil aanzienlijk verbetert.

Geladen met lichtverstrooiende kleurstoffen, Raman-reporters genaamd, die vaak worden gebruikt om biomarkers van ziekte in organische monsters te detecteren, kan de aanpak signalen van afzonderlijke soorten nanosondes versterken en detecteren zonder dat een dure machine of medische professional nodig is om de resultaten te lezen.

In een kleine proof-of-concept-studie identificeerden de nanorattles nauwkeurig hoofd- en nekkankers via een AI-enabled point-of-care-apparaat dat een revolutie teweeg kan brengen in de manier waarop deze kankers en andere ziekten worden gedetecteerd in gebieden met weinig middelen om de wereldwijde gezondheid te verbeteren.

De resultaten verschenen op 2 september online in de Journal of Raman-spectroscopie.

“Het concept om Raman-reporters in deze zogenaamde nanorattles te vangen, is al eerder gedaan, maar de meeste platforms hadden moeite om de binnenafmetingen te beheersen”, zegt Tuan Vo-Dinh, de R. Eugene en Susie E. Goodson Distinguished Professor of Biomedical Engineering bij Hertog.

“Onze groep heeft een nieuw type sonde ontwikkeld met een nauwkeurig afstembare opening tussen de binnenste kern en de buitenste schil, waardoor we meerdere soorten Raman-reporters kunnen laden en hun emissie van licht, oppervlakteversterkte Raman-verstrooiing genaamd, kunnen versterken,” Vo-Dinh gezegd.

Om nanorammelaars te maken, beginnen onderzoekers met een massief gouden bol van ongeveer 20 nanometer breed. Nadat ze een laag zilver rond de gouden kern hebben aangebracht om een ​​grotere bol (of kubus) te maken, gebruiken ze een corrosieproces dat galvanische vervanging wordt genoemd en dat het zilver uitholt, waardoor een kooiachtige schaal rond de kern ontstaat. De structuur wordt vervolgens gedrenkt in een oplossing die positief geladen Raman-reporters bevat, die door de negatief geladen gouden kern in de buitenste kooi worden getrokken. De buitenste rompen worden vervolgens bedekt met een extreem dunne laag goud om de Raman-reporters binnenin op te sluiten.

Het resultaat is een nanosfeer (of nanokubus) van ongeveer 60 nanometer breed met een architectuur die lijkt op een rammelaar – een gouden kern die is opgesloten in een grotere buitenste zilver-gouden schaal. De kloof tussen de twee is slechts enkele nanometers, net groot genoeg voor de Raman-verslaggevers.

Die nauwe toleranties zijn essentieel voor het beheersen van de Raman-signaalversterking die de nanoratels produceren.

Wanneer een laser op de nanorammelaars schijnt, reist deze door de extreem dunne buitenste schil en raakt de Raman-reporters binnenin, waardoor ze zelf licht uitstralen. Vanwege hoe dicht de oppervlakken van de gouden kern en de buitenste goud/zilveren schil bij elkaar zijn, prikkelt de laser ook groepen elektronen op de metalen structuren, plasmonen genaamd. Deze groepen elektronen creëren een extreem krachtig elektromagnetisch veld vanwege de interactie van de plasmonen met de metalen kern-schil-architectuur, een proces dat plasmonische koppeling wordt genoemd en dat het licht dat door de Raman-reporters wordt uitgezonden miljoenen keren versterkt.

“Toen we eenmaal de nanorammelaars hadden laten werken, wilden we biosensing-apparaten maken om infectieziekten of kankers te detecteren voordat mensen zelfs maar weten dat ze ziek zijn”, zei Vo-Dinh. “Met hoe krachtig de signaalversterking van de nanorammelaars is, dachten we dat we een eenvoudige test konden maken die gemakkelijk door iedereen op het punt van zorg zou kunnen worden gelezen.”

In het nieuwe artikel passen Vo-Dinh en zijn medewerkers de nanorattle-technologie toe op een lab-on-a-stick-apparaat dat in staat is om hoofd- en nekkanker te detecteren, die overal tussen de schouders en de hersenen voorkomt, meestal in de mond, neus en keel. Het overlevingspercentage voor deze kankers schommelt al tientallen jaren tussen 40 en 60 procent. Hoewel die statistieken de afgelopen jaren in de Verenigde Staten zijn verbeterd, zijn ze slechter geworden in omgevingen met weinig middelen, waar risicofactoren zoals roken, drinken en het kauwen van betelnoten veel vaker voorkomen.

“In een omgeving met weinig middelen presenteren deze kankers zich vaak in vergevorderde stadia en resulteren ze in slechte resultaten, deels als gevolg van beperkte onderzoeksapparatuur, gebrek aan opgeleide gezondheidswerkers en in wezen niet-bestaande screeningprogramma’s”, zegt Walter Lee, hoogleraar hoofd en nek chirurgie en communicatiewetenschappen en stralingsoncologie bij Duke, en een medewerker aan het onderzoek.

“Het vermogen om deze kankers vroeg te detecteren, zou moeten leiden tot een eerdere behandeling en verbetering van de resultaten, zowel wat betreft overleving als kwaliteit van leven,” zei Lee. “Deze benadering is opwindend omdat het niet afhankelijk is van een beoordeling door een patholoog en mogelijk op het punt van zorg kan worden gebruikt.”

Het prototype-apparaat maakt gebruik van specifieke genetische sequenties die werken als klittenband voor de biomarkers waarnaar de onderzoekers op zoek zijn – in dit geval een specifiek mRNA dat te overvloedig aanwezig is bij mensen met hoofd- en nekkanker. Wanneer het betreffende mRNA aanwezig is, werkt het als een ketting die nanoratels aan magnetische kralen bindt. Deze kralen worden vervolgens geconcentreerd en op hun plaats gehouden door een andere magneet, terwijl al het andere wordt weggespoeld. Onderzoekers kunnen dan een eenvoudig, goedkoop handheld-apparaat gebruiken om te zoeken naar licht dat door de nanorammelaars wordt uitgezonden om te zien of er biomarkers zijn gevangen.

In de experimenten bepaalde de test met 100% nauwkeurigheid of 20 monsters afkomstig waren van patiënten met hoofd- en nekkanker. De experimenten toonden ook aan dat het nanorattle-platform in staat is om meerdere soorten nanosondes te verwerken, dankzij een machine learning-algoritme dat de afzonderlijke signalen uit elkaar kan halen, wat betekent dat ze zich op meerdere biomarkers tegelijk kunnen richten. Dit is het doel van het huidige project van de groep, gefinancierd door de National Institutes of Health.

“Veel mRNA-biomarkers zijn overvloedig aanwezig in meerdere soorten kankers, terwijl andere biomarkers kunnen worden gebruikt om het patiëntrisico en toekomstige behandelingsresultaten te evalueren,” zei Vo-Dinh. “Het detecteren van meerdere biomarkers tegelijk zou ons helpen onderscheid te maken tussen kankers, en ook te zoeken naar andere prognostische markers zoals humaan papillomavirus (HPV), en zowel positieve als negatieve controles. Het combineren van mRNA-detectie met nieuwe nanorattle-biosensing zal resulteren in een paradigmaverschuiving in het bereiken van een diagnostisch hulpmiddel dat een revolutie teweeg kan brengen in de manier waarop deze kankers en andere ziekten worden gedetecteerd in gebieden met weinig middelen.”