Onderzoeksteam ontwikkelt nanosensor die in staat is tot precisie op één molecuul bij het detecteren van biomarkers

Hoewel het voor velen een populaire hobby is, is vissen ook een tijdverdrijf vol onzekerheid. Elke keer dat je iets aan de lijn hebt, weet je nooit helemaal zeker wat voor soort vis je hebt gehaakt totdat je hem uit het water haalt. Op een vergelijkbare manier kunnen wetenschappers die ‘vissen’ naar biomarkers – moleculen waarvan de toepassingen in de gezondheidszorg signalering voor de aanwezigheid van kanker omvatten – in biovloeistoffen zoals bloed ook onvoorspelbaarheid tegenkomen. Het vinden van een specifieke eiwitbiomarker in een pool van duizenden is als proberen een bepaalde vissoort in de uitgestrekte oceaan te vangen.

Gelukkig heeft een team van onderzoekers van Syracuse University’s College of Arts and Sciences (A&S), SUNY Upstate Medical University, Ichor Therapeutics en Clarkson University een kleine sensor van nanoformaat ontwikkeld die in staat is om eiwitbiomarkers in een monster te detecteren op een enkelvoudig molecuulgewicht. precisie. Passend bedacht als “haak en aas”, smelt een klein eiwitbindmiddel samen met een klein gaatje in het membraan van een cel – bekend als een nanopore – waardoor ionische oplossing er doorheen kan stromen. Wanneer de sensor een gericht molecuul herkent, verandert de ionische stroom. Deze verandering in flow dient als het signaal van de sensor dat de biomarker is gevonden.

“Deze nanoporiën zijn uitgerust met haken die bepaalde eiwitbiomarkers uit een oplossing halen”, zegt Liviu Movileanu, hoogleraar natuurkunde bij A&S, die samen met postdoctoraal onderzoeker Mohammad Ahmad co-auteur was van het onderzoek. “Door ze snel en nauwkeurig uit de oplossing te vissen, kunnen we eiwitbiomarkers die geassocieerd zijn met verschillende hematologische maligniteiten en solide tumoren beter identificeren en kwantificeren.”

Het nieuwste onderzoek van het team, gepubliceerd in Natuurcommunicatie, gaat in op eerdere uitdagingen die bestonden bij het generaliseerbaar maken van deze technologie. Hun nieuwe bevindingen formuleren een sensorontwerparchitectuur die kan worden toegepast op een breed scala aan eiwitdoelen.

Combineren van innovatieve technologieën

Voor het eerst koppelde het team nanopore-technologie aan antilichaam-mimetische technologie – kunstmatig ontworpen eiwitsteigers die zich binden aan en interageren met een specifieke biomarker en zich gedragen als antilichamen. Cellen in het lichaam ontwerpen hun eigen antilichamen die zich binden aan ongewenste stoffen en deze elimineren. Als het gaat om therapieën, ontwikkelen wetenschappers kleine eiwitten om cellen binnen te dringen en de productie van antilichamen te stimuleren die zich richten op specifieke ziekteverwekkers zoals virussen of bacteriën.

“Onderzoekers ontwerpen de steigers met behulp van gevestigde steigers van moeder natuur en passen ze aan met behulp van evolutionaire mutagenese – waarbij ze miljarden DNA-mutaties scannen totdat ze er een vinden die sterk interageren met een specifiek eiwit”, zegt Movileanu. “Het creëren van zeer specifieke eiwitdetectietechnologieën zal aan deze eisen voldoen en ook de ontdekking van nieuwe biomarkers versnellen met mogelijke gevolgen voor de progressie van pathologische aandoeningen.”

Volgens Movileanu werkt de sensor niet alleen in een schone oplossing, maar is hij ook zeer effectief in complexe biovloeistoffen, zoals bloedserum, die talloze antilichamen bevatten.

“In wezen heb je een heel specifieke haak die zich richt op een heel specifiek eiwit”, legt hij uit. “Aangezien het signaal codeert voor het exacte eiwit waarop u zich richt, heeft deze techniek geen valse positieven, waardoor het praktisch is voor biomedische diagnostiek.”

Om hun bevindingen te valideren, testte het team hun hypothese met behulp van een bloedserummonster. Met hun technologie waren ze in staat epidermale groeifactorreceptor (EGFR), een eiwitbiomarker bij verschillende kankers, te identificeren en te kwantificeren. Daarnaast werden tal van kalibraties van de sensoren uitgevoerd met behulp van andere biofysische technieken.

In de voorhoede van de diagnose

Hoewel hun paper een conceptprototype biedt, zegt Movileanu dat het project de weg vrijmaakt voor brede toepassingen. Door de sensoren bijvoorbeeld te integreren in nanofluïdische apparaten, zou deze technologie wetenschappers in staat stellen om veel verschillende biomarkers tegelijk in een monster te testen, wat een fundamentele basis vormt voor de detectie van biomarkers in complexe biovloeistoffen.

“De toekomst van de geneeskunde zal niet zozeer afhangen van beeldvorming en biopsieën bij het diagnosticeren van kanker”, zegt Movileanu. “In plaats daarvan zullen onderzoekers nanosensortechnologie gebruiken, zoals we in ons laboratorium ontwikkelen, om bloedmonsters te testen op de aanwezigheid van verschillende biomarkers die verband houden met verschillende kankers. Dit onderzoek is van cruciaal belang voor de toekomst van prognoses, diagnostiek en therapieën.”