Onderzoekers maken grote stappen in de richting van een biosensorchip voor alle doeleinden

Onderzoekers hebben aanzienlijke verbeteringen aangetoond voor op chips gebaseerde detectieapparaten die worden gebruikt om stoffen te detecteren of te analyseren. De resultaten leggen de basis voor zeer gevoelige draagbare geïntegreerde optofluidische detectieapparaten die kunnen worden gebruikt om verschillende soorten medische tests tegelijkertijd uit te voeren, zelfs als het gaat om totaal verschillende soorten biodeeltjes, zoals virale deeltjes en DNA, in sterk variërende concentraties.

Zoals gemeld in Optica tijdschrift, pasten onderzoekers onder leiding van Holger Schmidt van het WM Keck Center for Nanoscale Optofluidics aan de University of California, Santa Cruz (UCSC), nieuwe signaalverwerkingstechnieken toe op een optofluidic chip-gebaseerde biosensor. Deze vorderingen maakten naadloze fluorescentiedetectie mogelijk van een mengsel van nanokralen in concentraties van acht ordes van grootte, van attomolair tot nanomolair. Dit vergroot het concentratiebereik waarin deze sensoren kunnen werken met een factor van meer dan 10.000.

“Dit werk is onze laatste stap in de ontwikkeling van geïntegreerde optofluidische detectieapparaten die gevoelig genoeg zijn om enkele biomoleculen te detecteren en werken over een zeer breed scala aan concentraties, ” zei Schmidt. “We hebben aangetoond dat dit met één enkele methode kan worden gedaan, waardoor we tegelijkertijd meerdere soorten deeltjes tegelijkertijd kunnen meten en onderscheiden, zelfs als ze zeer verschillende concentraties hebben.”

Een multifunctioneel testapparaat maken

Hoewel er veel soorten op chips gebaseerde testapparaten zijn ontwikkeld, richten de meeste zich op één doelwit of type test, omdat biomoleculen in veel verschillende vormen en in enorm verschillende hoeveelheden voorkomen. De concentraties van verschillende eiwitten die worden gebruikt als biomarkers voor ziekten kunnen bijvoorbeeld meer dan tien ordes van grootte variëren.

De groep van Schmidt werkt in samenwerking met Aaron Hawkins van de Brigham Young University aan de ontwikkeling van een testplatform dat voor meerdere soorten analyses kan worden gebruikt. Het is gebaseerd op optofluidische chips, die optica en microfluïdische kanalen combineren op een chip van silicium of plastic. Deeltjes worden gedetecteerd door ze te verlichten met een laserstraal en vervolgens de reactie van de deeltjes te meten met een lichtgevoelige detector.

De onderzoekers hebben eerder aangetoond dat hun platform de gevoeligheid heeft die nodig is om verschillende soorten analyses uit te voeren en veel verschillende soorten deeltjes kan detecteren, waaronder nucleïnezuren, eiwitten, virussen, bacteriën en biomarkers voor kanker. Tot nu toe gebruikten ze echter afzonderlijke detectoren en signaalanalysetechnieken om deeltjes met hoge en lage concentraties te meten. Dit was nodig omdat als een type deeltjestype in een zeer hoge concentratie aanwezig is, dit een zeer grote respons creëert die de veel kleinere signalen van een ander deeltjestype dat in lage concentraties aanwezig is, overweldigt.

Betere signaalverwerking

In het nieuwe werk ontwikkelden Schmidt en afgestudeerde student Vahid Ganjalizadeh signaalverwerkingsmethoden die kunnen worden gebruikt om deeltjes in zowel hoge als lage concentraties tegelijkertijd te detecteren, zelfs als de concentraties niet van tevoren bekend zijn. Om dit te doen, combineerden ze verschillende signaalmodulatiefrequenties: hoogfrequente lasermodulatie om afzonderlijke deeltjes bij lage concentraties te onderscheiden en laagfrequente lasermodulatie om grote signalen van veel deeltjes tegelijkertijd bij hoge concentraties te detecteren.

“Ten tweede hebben we een feedbacklus geïmplementeerd die detecteert wanneer signalen echt groot zijn en het ingangslaservermogen dienovereenkomstig aanpassen”, zei Schmidt. “Op deze manier kunnen we grote signalen van hoge concentraties detecteren zonder de zwakke signalen te overweldigen die mogelijk aanwezig zijn van een andere soort bij lage concentraties. Hierdoor konden we tegelijkertijd deeltjes detecteren die in zeer verschillende concentraties aanwezig waren.”

De onderzoekers pasten ook een extreem snel algoritme toe dat ze onlangs hebben ontwikkeld om signalen van afzonderlijke deeltjes in lage concentraties in realtime te identificeren. Machine learning hielp ook bij het herkennen van signaalpatronen, zodat verschillende soorten deeltjes met hoge nauwkeurigheid konden worden onderscheiden. “Deze ontwikkelingen op het gebied van signaalanalyse zijn ideaal voor het mogelijk maken van apparaatbediening op het zorgpunt waar de signaalkwaliteit slecht kan zijn en waar data-analyse in realtime vereist is”, aldus Schmidt.

Onderscheid lage en hoge concentraties

De onderzoekers demonstreerden hun nieuwe benadering van signaalanalyse door optofluidische biosensorchips te pompen met een oplossing van nanobeads in verschillende concentraties en met verschillende fluorescentiekleuren. Ze waren in staat om de concentratie van zowel geelgroene als karmozijnrode parelconcentraties correct te identificeren, ook al verschilden hun concentraties met een factor meer dan 10.000 in het mengsel.

“Hoewel dit werk een specifieke geïntegreerde sensor bevordert die is gebaseerd op optische fluorescentiesignalen, kan de signaalanalysetechniek worden gebruikt met elk type tijdsafhankelijk signaal dat een breed concentratiebereik bestrijkt, ” zei Schmidt. “Dit kunnen verschillende optische signalen zijn, maar ook elektrische sensoren.”

De optofluidische biosensing-technologie van het team wordt momenteel gecommercialiseerd door Fluxus Inc., een bedrijf dat medische hulpmiddelen produceert. De onderzoekers werken ook aan het aanpassen van hun methoden om moleculaire producten van kunstmatige neuronale celweefselorganoïden te bestuderen. Dit project, dat deel uitmaakt van het UCSC Center for Live Cell Genomics, een NIH Centre for Excellence in Genomic Science, zou meer inzicht kunnen geven in gebieden zoals neurogeneratieve ziekte en kinderkanker.