Microfluïdische chip voor op impedantie gebaseerde detectie van DNA-nanoballen. (A) Een foto van de 3-inch gesmolten silicawafel met zes microfluïdische apparaten. (B) Microscopisch beeld van het kanaal met de geïntegreerde gouden elektroden. (C tot E) Principe van detectie van DNA-nanoballen. Het passeren van een DNA-nanobal door de geïntegreerde gouden elektroden produceert een pieksignatuur in de impedantierespons van het systeem. Deze impedantierespons wordt geregistreerd als een enkele DNA-nanobal. Credit: Wetenschappelijke vooruitgang (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adi4997
Onderzoekers van het Karolinska Instituut hebben een nieuwe methode ontwikkeld waarbij DNA-nanoballen worden gebruikt om ziekteverwekkers te detecteren, met als doel het testen van nucleïnezuren te vereenvoudigen en een revolutie teweeg te brengen in de detectie van ziekteverwekkers. De resultaten van het onderzoek, gepubliceerd in Wetenschappelijke vooruitgangzou de weg kunnen vrijmaken voor een eenvoudige elektronische test die in staat is om verschillende nucleïnezuren in diverse scenario’s snel en goedkoop te identificeren.
Hoofdonderzoeker Vicent Pelechano, universitair hoofddocent aan de afdeling Microbiologie, Tumor en Celbiologie van het Karolinska Instituut, is voorzichtig optimistisch over het potentieel van de technologie om een reeks ziekteverwekkers in de echte wereld te detecteren.
“De methodologie omvat het combineren van moleculaire biologie (het genereren van DNA-nanoballen) en elektronica (op elektrische impedantie gebaseerde kwantificering) om een baanbrekend detectie-instrument op te leveren”, zegt Vicent Pelechano.
De onderzoekers hebben een isotherme DNA-amplificatiereactie, LAMP genaamd, aangepast om kleine 1-2 μM DNA-nanoballetjes te genereren als de ziekteverwekker in het monster aanwezig was. Deze nanoballen worden vervolgens door minuscule kanaaltjes geleid en elektrisch geïdentificeerd terwijl ze tussen twee elektroden bewegen. De methode heeft een opmerkelijke gevoeligheid aangetoond, waarbij slechts tien doelmoleculen worden gedetecteerd en snelle resultaten binnen een uur worden bereikt, met behulp van een compact, bewegingloos systeem.
“Snelle en nauwkeurige detectie van genetisch materiaal is de sleutel voor de diagnose, vooral als reactie op de opkomst van nieuwe ziekteverwekkers”, zegt Vicent Pelechano.
Tijdens de recente COVID-19-pandemie zagen de onderzoekers een uitgebreid gebruik van op eiwitten gebaseerde diagnostiek voor snel testen. Deze methoden vereisen echter een tijdrovende ontwikkeling van hoogwaardige antilichamen. Daarentegen bieden op nucleïnezuren gebaseerde benaderingen volgens de onderzoekers een groter ontwikkelingsgemak, verbeterde gevoeligheid en inherente flexibiliteit.
(A) Vorming van DNA-nanobal met behulp van zes doelspecifieke LAMP-oligo’s en twee verdichtingsoligo’s. (B) Fluorescentiebeeld van DNA-nanoballen. Schaalbalk, 10 μm. (C) Fluorescerende afbeelding van 1 μM MyOne Dynabeads als maatreferentie. Schaalbalk, 10 μm. (D) Passieve stroom van DNA-nanoballen in een microfluïdische chip gemaakt van PDMS op een glassubstraat geïntegreerd met gouden elektroden. De passage van DNA-nanoballen door de gouden elektroden blokkeert het stroompad en verstoort het elektrische veld dat tussen de gouden elektroden wordt gevormd. (E) Een schematische weergave van het elektronische uitleessysteem dat wordt gebruikt voor de microfluïdische chip met geïntegreerde gouden elektroden. Credit: Wetenschappelijke vooruitgang (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adi4997
Deze nieuwe methode, die labelvrije detectie biedt, zou de uitrol van nieuwe diagnostische kits kunnen bespoedigen. Door betaalbare, in massa geproduceerde elektronica te integreren met gelyofiliseerde reagentia, bezit de technologie het potentieel om een goedkoop, breed inzetbaar en schaalbaar point-of-care-apparaat te bieden.
Het team begon dit werk als een uitbreiding van hun eerdere inspanningen op het gebied van op LAMP (Loop-Mediated Isothermal Amplification) gebaseerde detectie van SARS-CoV-2 tijdens de pandemie.
Momenteel onderzoekt het onderzoeksteam actief mogelijkheden om deze technologie te integreren in domeinen zoals milieumonitoring, voedselveiligheid, detectie van virussen en antimicrobiële resistentie. Het team onderzoekt ook mogelijkheden voor licentieverlening of het mogelijk opzetten van een startup om van deze technologie te profiteren, nadat het onlangs een patent voor de technologie heeft aangevraagd.
Meer informatie:
Muhammad Tayyab et al, Digitale test voor snelle elektronische kwantificering van klinische pathogenen met behulp van DNA-nanoballen, Wetenschappelijke vooruitgang (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adi4997
Tijdschriftinformatie:
Wetenschappelijke vooruitgang
Geleverd door Karolinska Institutet
