Onderzoekers ontwikkelen nieuwe elektrochemische biosensor voor de prognose van kanker

Onderzoekers van het Nano Life Science Institute (WPI-NanoLSI), Kanazawa University rapport in Biosensoren en bio-elektronica: X een nieuwe aanpak voor het detecteren van een bepaald biomolecuul dat geassocieerd is met verschillende ziekten. De resultaten laten een goede gevoeligheid en selectiviteit zien en kunnen leiden tot de ontwikkeling van een goedkoop, snel detectieapparaat dat nuttig is bij de prognose van kanker.

Ziekten bij de mens zijn vaak het gevolg van misgelopen DNA-transcripties. Transcriptie verwijst naar het kopiëren van delen van een DNA-molecuul – de ‘genetische code’ – naar een RNA-molecuul, wat op zijn beurt nodig is voor het omzetten van de gecodeerde informatie in eiwitten. Deze laatste spelen een cruciale rol in verschillende biochemische processen die plaatsvinden in het menselijk lichaam.

Eén mechanisme voor transcriptionele modificatie is het bewerken van adenosine naar inosine, waarbij adenosine (een van de vier RNA-bouwstenen) chemisch wordt gemodificeerd, wat resulteert in een veranderd RNA-molecuul. Dit type modificatie wordt mogelijk gemaakt door katalysatoreiwitten die ADAR’s worden genoemd (adenosinedeaminasen die op RNA inwerken).

Bij mensen zijn drie van dergelijke ADAR’s geïdentificeerd. Eén daarvan, ADAR1, blijkt vaker voor te komen bij verschillende soorten chronische ziekten, waaronder neurologische aandoeningen en kanker. ADAR1 wordt daarom beschouwd als een biomarker – een ‘signature molecule’ – voor het beoordelen van de toestand van een patiënt en de overlevingskansen.

Madhu Biyani van de Kanazawa Universiteit en collega’s hebben nu een nieuwe elektrochemische biosensor ontwikkeld voor het detecteren van ADAR1, die een goedkoop, snel hulpmiddel biedt voor het meten van ADAR1-concentraties in cellen. De detector zal naar verwachting nuttig zijn voor het monitoren van de progressie van kanker.

De door Biyani en collega’s gepresenteerde procedure is in twee opzichten nieuw. De eerste is dat het nieuw geïdentificeerde aptameren gebruikt als moleculen die ADAR1 kunnen herkennen en vangen. Aptameren zijn moleculen die bestaan ​​uit sequenties van (synthetisch) DNA, RNA of andere biomoleculen die binden aan een bepaald doelmolecuul, in dit geval ADAR1. De tweede nieuwigheid ligt in het gebruik van een in het veld inzetbare elektrochemische sensor DEPSOR (BioSeeds Corp.), die de voordelen heeft dat hij niet alleen snel en niet duur is, maar dat er slechts kleine monsters nodig zijn.

Om de optimale aptamer te vinden – dat wil zeggen degene die chemisch het gemakkelijkst aan ADAR1 bindt – screenden de onderzoekers een grote reeks DNA-sequenties en beperkten deze tot vijftien kandidaat-aptameren. Elk van deze kandidaten werd vervolgens getest in een elektrochemisch detectieplatform: de hoeveelheid ADAR1 wordt ‘gedetecteerd’ via chemische reacties die resulteren in een elektrische stroom. Dit laatste kan gemakkelijk worden gedetecteerd. Hoe meer ADAR1 in een monster, hoe hoger de gemeten stroom.

De kandidaat-aptameer die de hoogste elektrochemische stroom opleverde, genaamd Apt38483, werd vervolgens verder gecontroleerd. De elektrochemische respons op ‘valse’ eiwitten was zeer laag, wat bevestigt dat het de optimale aptameer is in termen van zowel gevoeligheid als selectiviteit.

De wetenschappers testten vervolgens een op Apt38483 gebaseerd prototype-apparaat op verdunde celmonsters. Ze ontdekten dat zelfs in een 625 keer verdund monster ADAR1 nog steeds kon worden gedetecteerd, wat de hoge gevoeligheid van het apparaat onderstreepte.

De elektrochemische biosensor ontwikkeld door Biyani en collega’s voor de detectie van ADAR1 in celmonsters is een veelbelovend platform voor het monitoren van de progressie van kanker in klinische monsters. De wetenschappers zeiden: “In de toekomst zal het veelbelovend zijn om het systeem te evalueren voor de identificatie van lage tot hoge niveaus van ADAR1-expressie in een monster van kankercellijnen voor klinische prognose.”

Achtergrond: Elektrochemische biosensoren

Elektrochemische biosensoren zijn apparaten die biologische informatie, zoals de aanwezigheid van een bepaald molecuul (de analyt genoemd), omzetten in een meetbaar signaal. In essentie bestaan ​​biosensoren uit een bioreceptor, een interface en een transducerelement. De bioreceptor bindt zich aan de analyt op het grensvlak, wat resulteert in een signaal dat wordt opgevangen en door de transducer wordt omgezet in een elektrisch signaal.

Het elektrische signaal wordt verwerkt via een computer; Het signaal kan bijvoorbeeld worden omgezet in een analytconcentratiemeting. Elektrochemische biosensoren zijn normaal gesproken robuust, goedkoop en gemakkelijk te miniaturiseren.

Madhu Biyani van de Kanazawa Universiteit en collega’s hebben nu een elektrochemische biosensor ontwikkeld voor de detectie van ADAR1, een RNA-bewerkingsenzym dat geassocieerd is met de progressie van kanker. Ze identificeerden een bepaald biomolecuul als de optimale bioreceptor, wat een goede gevoeligheid en selectiviteit voor ADAR1 laat zien. Het ontwikkelde apparaat zal naar verwachting nuttig zijn voor het monitoren van de progressie van kanker.