Sensortechnologie maakt gebruik van de blauwdruk en machines van de natuur om het metabolisme in het lichaam te controleren

De essentiële functies van het leven worden aangedreven door een reeks verbindingen die metabolieten worden genoemd, die betrokken zijn bij elk natuurlijk proces, inclusief het produceren van energie, het reguleren van celactiviteit en het in evenwicht houden van het lichaam. Het volgen van deze moleculen biedt een venster op het begin en de status van veel ziekten, algehele gezondheid, respons op behandeling en de ingewikkelde werking van biologische systemen.

De metabolietdetectiemethoden van vandaag schieten echter tekort. Het meest vertrouwen op resource-intensieve laboratoriumtests die slechts korte snapshots geven van geïsoleerde monsters. De weinige sensoren die continu metabolieten kunnen volgen, zijn grotendeels beperkt tot het detecteren van de bloedsuikerspiegel.

Een interdisciplinair onderzoeksteam onder leiding van het California Nanosystems Institute aan UCLA of CNSI, kan deze beperkingen hebben overwonnen. In een recente studie gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciencesde onderzoekers demonstreerden een sensortechnologie op basis van natuurlijke biochemische processen die in staat waren om continu en betrouwbaar meerdere metabolieten te meten vanaf een breed scala aan opties.

“Om te begrijpen hoe metabolieten biologische processen beïnvloeden of de gezondheid weerspiegelen, moeten we verschillende groepen metabolieten controleren op basis van ons specifieke belang,” zei senior corresponderende auteur Sam Emaminejad, universitair hoofddocent elektrische en computertechniek aan de UCLA Samueli School of Engineering en een CNSI -lid.

“Dus wilden we een sensorplatform ontwikkelen dat kan worden toegepast op een breed scala aan metabolieten, terwijl we een betrouwbare werking in het lichaam garanderen – en daarvoor hebben we gebruik gemaakt van natuurlijke metabole processen.”

Hij beschouwt deze technologie niet als een vervanging voor huidige lab-gebaseerde methoden zoals massaspectrometrie, maar als een complementair hulpmiddel. Wetenschappers kunnen massaspectrometers blijven gebruiken om potentiële interesses van interesse te identificeren en vervolgens de sensor te gebruiken om ze in levende systemen te controleren.

Sensoren veroorzaken chemische reacties om het menu van metabolieten gedetecteerd te verbreden

De sensoren zijn gebouwd op elektroden gemaakt van kleine cilinders genaamd single-wall koolstofnanobuisjes. Deze elektroden functioneren als miniatuurbiochemielaboratoria, met behulp van enzymen en helpermoleculen die cofactoren worden genoemd om reacties uit te voeren die de metabolische processen van het lichaam weerspiegelen. Afhankelijk van het doelmetaboliet detecteren de sensoren het direct of zetten het eerst om in een detecteerbare vorm door een keten van intermediaire enzymatische reacties.

Detectie werkt via enzymen die specifiek elektronenverwisselende reacties katalyseren. Op het oppervlak van de elektroden genereren deze reacties een elektrische stroom die kan worden gemeten om de metabolietniveaus te bepalen. Ondertussen werken andere enzymen parallel om valse signalen te voorkomen door interfererende moleculen te neutraliseren, net zoals hoe enzymen stoffen in ons lichaam ontgiften.

Om dit vermogen weer te geven om meerdere reacties in volgorde en parallel uit te voeren, noemt het onderzoeksteam hun technologie ‘Tandem-gebaseerde sensoren’ of TMR-sensoren kortweg.

“Tientallen jaren onderzoek heeft natuurlijke metabole routes in kaart gebracht die metabolieten koppelen aan specifieke enzymatische reacties,” zei Emaminejad. “Door zorgvuldig geselecteerde enzymen en cofactoren aan te passen voor verschillende functies, repliceren onze elektroden deze complexe reacties, waardoor betrouwbare detectie van een veel bredere set metabolieten mogelijk is dan conventionele sensoren.

“De robuustheid komt van de evolutie zelf – enzymen en cofactoren, verfijnd gedurende tientallen miljoenen jaren, zijn zeer gevoelig, specifiek en stabiel. We benutten de eigen blauwdruk en moleculaire machines van de natuur om de zeer biochemische processen te volgen die ze in stand houden.”

Traditionele enzymatische sensoren ondersteunen meestal single-step reacties zonder cofactoren. Door cofactoren op te nemen, kunnen TMR-sensoren direct meer dan 800 metabolieten detecteren en, met slechts één conversiestap, meer dan tweederde van de metabolieten van het lichaam dekken.

“De TMR-elektrode heeft extra speciale functies voor krachtige biosensing,” zei Xuanbing Cheng, de co-first auteur van de studie en een UCLA-postdoctorale geleerde bij Emaminejad’s onderling verbonden en geïntegreerd bio-elektronicslab.

“Gemaakt van koolstofnanobuisjes met één muur, het biedt een groot actief gebied voor het laden van enzymen en cofactoren. Reacties treden efficiënt op bij lage spanning, waardoor ongewenste zijreacties worden verminderd, terwijl het nut van enzymactiviteit wordt gemaximaliseerd. Hierdoor konden ons een uitzonderlijk hoge signaal-noise verhouding verhouding verhoudingsverhoudingsverhouding bereiken.”

In een reeks experimenten toonden de onderzoekers het vermogen van de technologie om continu en met hoge gevoeligheid een monsterset van 12 klinisch belangrijke metabolieten te meten. Het team heeft metabolieten gemeten in zweet- en speekselmonsters van patiënten die een behandeling krijgen voor epilepsie en van personen met aandoeningen die lijken op diabetescomplicaties. De onderzoekers detecteerden ook een van de bacteriën afgeleide metaboliet in de hersenen die neurologische aandoeningen kunnen veroorzaken als het zich ophoopt.

Potentiële toepassingen van metabolietsensoren voor gezondheid, onderzoek en industrie

Het vermogen van de sensoren om een ​​breed scala aan metabolieten in verschillende biologische omgevingen te volgen, opent nieuwe deuren voor de menselijke gezondheid en wetenschappelijke ontdekking. Ze zouden de zorg voor metabole en cardiovasculaire aandoeningen kunnen transformeren door vroege, precieze diagnoses en het afstemmen van behandelingen op het unieke metabolische profiel van een individu mogelijk te maken. De technologie kan ook fitness- en atletische prestaties optimaliseren door te volgen hoe het lichaam energie onder verschillende omstandigheden metaboliseert.

Bij de ontwikkeling van geneesmiddelen kunnen de sensoren realtime inzichten bieden in hoe therapieën metabole routes beïnvloeden-van het evalueren van geneesmiddelen voor kanker die tumorgroei blokkeren door de enzymactiviteit te remmen tot het volgen van de productie van bacteriële metaboliet om de antibiotica te optimaliseren.

Naast de geneeskunde kunnen deze sensoren industriële processen ondersteunen door continue feedback te geven om de opbrengst en efficiëntie van ontwikkelde microben die worden gebruikt om farmaceutische producten, biobrandstoffen en andere waardevolle chemicaliën te produceren.

Onder de vele mogelijkheden is Emaminejad vooral enthousiast over het potentieel van de technologie om de darm-hersenverbinding te helpen ontrafelen-een opkomende grens in biomedisch onderzoek. Het team is nu gericht op het aanpassen van hun platform om onbeantwoorde onderzoeksvragen aan te pakken en nieuwe diagnostische kansen te volgen.

“Een grote uitdaging om te begrijpen hoe de darm en de hersenen elkaar beïnvloeden, is het vastleggen van veranderingen in de loop van de tijd,” zei hij. “Een hulpmiddel dat continu metabolieten volgt, in plaats van te vertrouwen op enkele laboratoriummetingen, kan helpen deze tweerichtingscommunicatie te onthullen.

“We zijn eindelijk uitgerust om belangrijke hypothesen te testen die geen belangrijke gegevens hadden-waardoor we beter kunnen begrijpen hoe darmactiviteit de algehele gezondheid beïnvloedt, van het stimuleren van ontsteking en het beïnvloeden van het mentale welzijn tot het vormgeven van chronische ziekteprogressie.”