Innovativ nanosensor til sygdomsdiagnose

Åndedrætsmønstergenkendelse er en futuristisk diagnostisk platform. Simpel karakterisering af målgaskoncentrationer af menneskelig udånding vil føre til diagnosticering af sygdommen såvel som fysisk tilstand.

En forskergruppe under prof. Il-Doo Kim i Institut for Materialevidenskab på KAIST har udviklet diagnostiske sensorer ved hjælp af proteinindkapslede nanokatalysatorer, som kan diagnosticere visse sygdomme ved at analysere menneskelig udånding. Denne teknologi muliggør tidlig overvågning af forskellige sygdomme gennem mønstergenkendelse af biomarkørgasser relateret til sygdomme i menneskelig udånding.

Den proteinbaserede katalysatorsyntesevej er meget enkel og alsidig til fremstilling af ikke kun en enkelt komponent af katalytiske nanopartikler, men også forskellige heterogene intermetalliske katalysatorer med størrelser mindre end 3 nm. Forskerholdet har udviklet stadig mere følsomme og selektive kemiresistive sensorer, der potentielt kan diagnosticere specifikke sygdomme ved at analysere udåndede åndegasser.

Resultaterne af denne undersøgelse, som blev bidraget af Dr. Sang-Joon Kim og Dr. Seon-Jin Choi, da førsteforfattere blev udvalgt som omslagsartikel i juli-udgaven af Beretninger om kemisk forskning , et internationalt tidsskrift fra American Chemical Society.

I menneskelig ånde, forskellige komponenter findes, herunder vanddamp, brint, acetone, toluen, ammoniak, svovlbrinte, og kulilte, som udåndes mere overdrevent fra patienter. Nogle af disse komponenter er tæt relateret til sygdomme som astma, lungekræft, type 1 diabetes mellitus, og halitosis.

Åndedrætsanalyse til sygdomsdiagnose startede med at fange udåndinger i en Tedlar-pose, og efterfølgende blev de opfangede åndegasser sprøjtet ind i et miniaturiseret sensorsystem, ligner en alkoholdetektor. Det er muligt at analysere udåndet ånde meget hurtigt med en simpel analyseproces. Åndedrætsanalysen kan detektere sporændringer i udåndede åndedrætskomponenter, som bidrager til tidlig diagnosticering af sygdomme.

Imidlertid, teknologiske fremskridt er nødvendige for nøjagtigt at analysere gasser i åndedrættet, som forekommer i meget lave niveauer, fra 1 ppb til 1 ppm. I særdeleshed, det har været en kritisk udfordring for kemiske sensorer af kemiresistiv type at selektivt detektere specifikke biomarkører i tusindvis af forstyrrende gasser, herunder fugtig damp.

Konventionelt, ædelmetalliske katalysatorer såsom platin og palladium er blevet funktionaliseret på metaloxidfølende lag. Imidlertid, gassens følsomhed var ikke nok til at detektere ppb-niveauer af biomarkørarter i udåndet ånde.

For at overvinde de nuværende begrænsninger, forskerholdet brugte protein i nanoskala (apoferritin) i dyr som offerskabeloner. Proteinskabelonerne har hule nanocages på kernestedet, og forskellige legeringskatalytiske nanopartikler kan indkapsles inde i protein-nanocages.

Protein-nanocages er fordelagtige, fordi et næsten ubegrænset antal materialesammensætninger i det periodiske system kan samles til syntese af heterogene katalytiske nanopartikler. Ud over, intermetalliske nanokatalysatorer med et kontrolleret atomforhold mellem to forskellige grundstoffer kan opnås ved hjælp af protein-nanocages, som er en innovativ strategi til at finde nye typer katalysatorer. For eksempel, højeffektive platinbaserede katalysatorer kan syntetiseres, såsom platin-palladium (PtPd), platin-nikkel (PtNi), platin-ruthenium (PtRu), og platin-yttrium (PtY).

Forskerholdet udviklede fremragende sensingslag bestående af metaloxid-nanofibre funktionaliserede af de heterogene katalysatorer med store og meget porøse overfladearealer, som er specielt optimeret til selektiv påvisning af specifikke biomarkører. Biomarkør-sensing-ydeevnen blev forbedret ca. 3~4 gange sammenlignet med den konventionelle enkeltkomponent af platin- og palladiumkatalysator-fyldte nanofibersensorer. I særdeleshed, 100-fold modstandsovergange mod acetone (1 ppm) og svovlbrinte (1 ppm) blev observeret i udåndingssensorer ved brug af de heterogene nanokatalysatorer, hvilket er den bedste præstation, der nogensinde er rapporteret i litteraturen.

Forskerholdet udviklede en sygdomsdiagnoseplatform, der genkender individuelle vejrtrækningsmønstre ved at bruge et multipelt sensorarray-system med forskellige sensingslag og heterogene katalysatorer, så folk nemt kan identificere sundhedsmæssige abnormiteter. Ved hjælp af et 16-sensor array-system, fysiske forhold kan løbende overvåges ved at analysere koncentrationsændringer af biomarkører i udåndede åndegasser.

Prof. Kim sagde, "Nye typer af heterogene nanokatalysatorer blev syntetiseret ved hjælp af proteinskabeloner med størrelser omkring 2 nm og funktionaliserede på forskellige metaloxid-nanofiber-sensorlag. De etablerede sansebiblioteker kan detektere biomarkørarter med høj følsomhed og selektivitet." Han tilføjede, "den nye og innovative åndegasanalyseplatform vil være meget nyttig til at reducere medicinske udgifter og kontinuerlig overvågning af fysiske forhold"

Patenter relateret til denne teknologi blev licenseret til to virksomheder i marts og juni i år.