Nieuwe bioluminescente immunosensor is veelbelovend voor kwantitatieve point-of-care-testen

Er is een nieuwe op nanobody gebaseerde immunosensor ontwikkeld, ontworpen om stabiel te functioneren in onverdunde biologische vloeistoffen en onder zware omstandigheden, rapporteren onderzoekers van Science Tokyo. Hun innovatieve ontwerp maakt gebruik van BRET (bioluminescentie-resonantie-energieoverdracht) en biedt grote mogelijkheden voor point-of-care-testen, monitoring van therapeutische geneesmiddelen en omgevingstoepassingen met behulp van op papier gebaseerde apparaten.

Immunosensoren zijn onmisbare hulpmiddelen geworden op het gebied van de biochemie en de medische wetenschap en bieden betrouwbare methoden voor het detecteren van specifieke biomoleculen. Ze werken door gebruik te maken van de interacties tussen antilichamen en hun doelantigenen, waardoor ze van cruciaal belang zijn in toepassingen zoals klinische diagnostiek, monitoring van voedselveiligheid en milieubeoordelingen.

Naarmate de vraag naar effectievere en kostenefficiëntere testmethoden groeit, blijven onderzoekers innoveren op het gebied van immunosensortechnologie. Met name het streven naar homogene immunosensoren die tijdrovende wasstappen elimineren, is een belangrijk aandachtspunt geworden.

Een bijzonder veelbelovende klasse van homogene immunosensoren, bekend als Quenchbodies (Q-bodies), werkt door fluorescentie uit te zenden als reactie op antigeenbinding. In hun “uitgedoofde” toestand blijven Q-lichamen inactief, maar bij antigeenbinding ondergaan ze structurele veranderingen, wat leidt tot de emissie van licht door het opheffen van de uitgedoofde toestand.

Ondanks hun potentieel worden Q-bodies geconfronteerd met aanzienlijke beperkingen: ze kunnen niet effectief functioneren in onverdunde biologische vloeistoffen zoals bloed of melk, en de opslag en toepassing ervan in op papier gebaseerde apparaten voor point-of-care-tests (POCT) op onverdunde biovloeistoffen of die met reductiemiddelen voor veilige hantering blijft een uitdaging.

Tegen deze achtergrond wilde een onderzoeksteam van het Institute of Science Tokyo, Japan, een nieuwe immunosensor ontwikkelen zonder dergelijke beperkingen. Onder leiding van universitair hoofddocent Tetsuya Kitaguchi hebben ze een nieuw type Q-body ontwikkeld dat gebruik maakt van de robuustheid van nanobodies en eenvoudige detectie van bioluminescentie.

Gepubliceerd op 11 november 2024 in ACS-sensorenVerwacht wordt dat hun innovatieve ontwerp een revolutie teweeg zal brengen in de manier waarop immunosensortechnologie wordt gebruikt in klinische en omgevingstoepassingen.

De onderzoekers combineerden de nanobodies en NanoLuc met een bekende fluorescerende kleurstof, TAMRA. De kern van dit ontwerp wordt gevormd door nanobodies: kleine, zeer stabiele antilichaamfragmenten afkomstig van kamelen. Nanobodies bieden een opmerkelijke weerstand tegen denaturatie onder zware omstandigheden, waardoor ze ideaal zijn voor gebruik in POCT.

Bovendien bevat de immunosensor ook NanoLuc, een luciferase-enzym dat blauw licht uitstraalt wanneer het reageert met zijn substraat. Vanwege zijn uitzonderlijke helderheid en minder lichtverstrooiing dan fluorescentie, is de immunosensor veelbelovend voor toepassingen in onverdunde biologische vloeistoffen zoals bloed of melk.

Het proces werkt als volgt: wanneer het doelantigeen zich aan het nanolichaam bindt, treden er structurele veranderingen op, waardoor de TAMRA-kleurstof weg van het nanolichaam en dichter bij het NanoLuc-enzym wordt verplaatst. Deze verandering herstelt het uitdoven van TAMRA en vergemakkelijkt de energieoverdracht tussen de twee moleculen, waardoor de emissiekleur verandert van blauw van de door NanoLuc gekatalyseerde reactie naar rood van TAMRA.

De verhouding van de emissie-intensiteiten bij verschillende kleuren wordt vervolgens gecorreleerd met de concentratie van het doelantigeen, waardoor nauwkeurige en gevoelige kwantificering mogelijk wordt, zelfs met behulp van draagbare apparaten, waaronder smartphones, voor signaaldetectie.

De onderzoekers testten dit nieuwe ontwerp door middel van een reeks experimenten.

“De voorgestelde immunosensor, die we BRET nano Q-body hebben genoemd, biedt superieure thermostabiliteit en uithoudingsvermogen in organische oplosmiddelen, reductiemiddelen en detergentia dankzij de robuuste structuur van het nanobody, en is evenzeer geschikt voor gebruik in biologische vloeistoffen, zoals melk serum en volbloed, zonder verdunning, als gevolg van de grote verandering in de emissieverhouding als gevolg van bioluminescentie”, aldus Kitaguchi.

Om nog een stap verder te gaan, testte het team ook of de BRET nano Q-bodies potentieel hadden voor POCT door ze te implementeren in papieren apparaten om de concentratie van een chemotherapeutisch medicijn te meten voor een modelexperiment.

Kitaguchi zei: “De papieren apparaten presteerden ook goed na langdurige opslag zonder temperatuurcontrole, en in biologische vloeistoffen en omgevingsmonsters zonder verdunning, wat ze bruikbaar maakt voor detectie aan het bed, in het veld en thuis. We verwachten papier- gebaseerde platforms die transformatief kunnen zijn voor in situ detectie in therapeutische, diagnostische en omgevingstoepassingen.”

Over het geheel genomen illustreert deze studie hoe verschillende instrumenten en concepten uit de analytische biochemie kunnen worden gecombineerd tot een uitzonderlijk stukje technologie – een technologie die ons leven zou kunnen verbeteren en ons zou kunnen helpen het milieu te beschermen.