Ziekte detecteren met één enkel molecuul: op nanoporiën gebaseerde sensoren kunnen de diagnostiek transformeren

Wetenschappers van UC Riverside hebben een op nanoporiën gebaseerd hulpmiddel ontwikkeld dat ziekten veel sneller en met grotere precisie kan helpen diagnosticeren dan de huidige tests mogelijk maken, door signalen van individuele moleculen op te vangen.

Omdat de moleculen die wetenschappers willen detecteren – meestal bepaalde DNA- of eiwitmoleculen – grofweg een miljardste van een meter breed zijn, zijn de elektrische signalen die ze produceren erg klein en vereisen ze gespecialiseerde detectie-instrumenten.

“Op dit moment heb je miljoenen moleculen nodig om ziekten op te sporen. We laten zien dat het mogelijk is om bruikbare gegevens te verkrijgen uit slechts één enkel molecuul”, zegt Kevin Freedman, assistent-professor bio-engineering bij UCR en hoofdauteur van een artikel over de tool. verschijnen in Natuur Nanotechnologie. “Dit niveau van gevoeligheid zou een echt verschil kunnen maken in de ziektediagnostiek.”

Het laboratorium van Freedman heeft tot doel elektronische detectoren te bouwen die zich gedragen als neuronen in de hersenen en herinneringen kunnen vasthouden: met name herinneringen aan welke moleculen eerder door de sensor zijn gegaan. Om dit te doen, ontwikkelden de UCR-wetenschappers een nieuw circuitmodel dat rekening houdt met kleine veranderingen in het gedrag van de sensor.

De kern van hun circuit bestaat uit een nanoporie: een kleine opening waar moleculen één voor één doorheen gaan. Biologische monsters worden samen met zouten in het circuit geladen, die dissociëren in ionen.

Als eiwit- of DNA-moleculen uit het monster door de porie gaan, vermindert dit de stroom ionen die kan passeren.

“Onze detector meet de vermindering van de stroom die wordt veroorzaakt doordat een eiwit of een stukje DNA erdoorheen gaat en de doorgang van ionen blokkeert”, zei Freedman.

Om de elektrische signalen te analyseren die door de ionen worden gegenereerd, moet het systeem volgens Freedman rekening houden met de waarschijnlijkheid dat sommige moleculen mogelijk niet worden gedetecteerd als ze door de nanoporie gaan. Wat deze ontdekking onderscheidt, is dat de nanoporie niet alleen een sensor is, maar zelf als een filter fungeert, waardoor achtergrondruis van andere moleculen in een monster wordt verminderd die kritische signalen zouden kunnen verdoezelen.

Traditionele sensoren hebben externe filters nodig om ongewenste signalen te verwijderen, en deze filters kunnen per ongeluk waardevolle informatie uit de monsters verwijderen. De aanpak van Freedman zorgt ervoor dat het signaal van elk molecuul behouden blijft, waardoor de nauwkeurigheid voor diagnostische toepassingen wordt vergroot.

Freedman stelt zich voor dat het apparaat wordt gebruikt om een ​​kleine, draagbare diagnostische kit te ontwikkelen – niet groter dan een USB-stick – die infecties in de vroegste stadia zou kunnen detecteren. Hoewel de huidige tests mogelijk enkele dagen na blootstelling geen infecties registreren, kunnen sensoren met nanoporiën infecties binnen 24 tot 48 uur detecteren. Deze mogelijkheid zou een aanzienlijk voordeel opleveren bij snel verspreidende ziekten, waardoor eerdere interventie en behandeling mogelijk zouden worden.

“Nanoporiën bieden een manier om sneller infecties op te lopen, voordat de symptomen verschijnen en voordat de ziekte zich verspreidt”, aldus Freedman. “Dit soort hulpmiddelen zou een vroege diagnose veel praktischer kunnen maken voor zowel virale infecties als chronische aandoeningen.”

Naast diagnostiek is het apparaat veelbelovend voor het bevorderen van eiwitonderzoek. Eiwitten vervullen een essentiële rol in cellen, en zelfs kleine veranderingen in hun structuur kunnen de gezondheid beïnvloeden. De huidige diagnostische hulpmiddelen hebben moeite om het verschil te zien tussen gezonde en ziekteverwekkende eiwitten vanwege hun overeenkomsten. Het nanoporie-apparaat kan echter subtiele verschillen tussen individuele eiwitten meten, wat artsen zou kunnen helpen meer gepersonaliseerde behandelingen te ontwerpen.

Het onderzoek brengt wetenschappers ook dichter bij het bereiken van eiwitsequencing met één molecuul, een lang gezocht doel in de biologie. Terwijl DNA-sequencing genetische instructies onthult, geeft eiwitsequencing inzicht in hoe die instructies in realtime worden uitgedrukt en gewijzigd. Dit diepere inzicht zou kunnen leiden tot eerdere detectie van ziekten en nauwkeurigere therapieën die op maat zijn gemaakt voor elke patiënt.

“Er is veel momentum in de richting van de ontwikkeling van eiwitsequencing, omdat het ons inzichten zal geven die we niet alleen uit DNA kunnen halen,” zei Freedman. “Nanoporiën stellen ons in staat eiwitten te bestuderen op manieren die voorheen niet mogelijk waren.”

Nanoporiën vormen de focus van een poging waarbij het team van Freedman zal proberen afzonderlijke eiwitten te sequencen. Dit werk bouwt voort op zijn eerdere onderzoek naar het verfijnen van het gebruik van nanoporiën voor het detecteren van moleculen, virussen en andere entiteiten op nanoschaal. Hij ziet deze vooruitgang als een teken van hoe moleculaire diagnostiek en biologisch onderzoek in de toekomst kunnen veranderen.

“Er valt nog veel te leren over de moleculen die gezondheid en ziekte veroorzaken,” zei Freedman. “Deze tool brengt ons een stap dichter bij gepersonaliseerde geneeskunde.”

Freedman verwacht dat nanoporietechnologie binnenkort een standaardfunctie zal worden in zowel onderzoeks- als gezondheidszorginstrumenten. Naarmate de apparaten betaalbaarder en toegankelijker worden, kunnen ze een plaats vinden in alledaagse diagnostische kits die thuis of in klinieken worden gebruikt.

“Ik ben ervan overtuigd dat nanoporiën onderdeel zullen worden van het dagelijks leven”, aldus Freedman. “Deze ontdekking zou de manier kunnen veranderen waarop we ze in de toekomst zullen gebruiken.”