Ny immunoassay-teknik måler ekstremt lave koncentrationer af små molekyler ved hjælp af enkelt-molekyle detektion

Efterhånden som lægevidenskaben er kommet til at forstå, at den menneskelige krop styres på molekylært niveau af forskellige proteiner, hormoner, stoffer, og andre stoffer, teknologier er udviklet til at påvise niveauer af disse molekyler for at overvåge sundhed og diagnosticere sygdom. Imidlertid, mange af disse molekyler er så små, at de ikke kan påvises med de mest udbredte analyseteknikker, efterlader spørgsmål om vigtige stoffer som aminosyrer, sukkerarter, og lipider stort set ubesvarede.

Nu, forskere ved Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering ved Harvard University og Brigham and Women's Hospital (BWH) har skabt en ny type immuno-assay, der er i stand til at detektere små molekyler med 50 gange større følsomhed end konventionelle detektionsmetoder, og kan nemt integreres i eksisterende diagnostiske platforme. Forskningen er beskrevet i Journal of the American Chemical Society .

"Den forbedrede analytiske følsomhed af vores assay muliggør målinger af små molekyler ved ekstremt lave koncentrationer, og åbner et vindue til biologiske fænomener, der tidligere var uopnåelige, " sagde seniorforfatter David Walt, Ph.D., et kernefakultetsmedlem af Wyss Institute, som også er Hansjörg Wyss professor i biologisk inspireret teknik ved Harvard Medical School (HMS) og professor i patologi ved BWH, samt en HHMI-professor.

Den nye tilgang er baseret på en type analyse kaldet en kompetitiv immunoassay, hvor en kendt mængde af et mærket molekyle af interesse og en prøve med en ukendt mængde af molekylet begge tilsættes til en række antistoffer, som de binder til. De mærkede og umærkede molekyler "konkurrerer" derefter om de samme antistofbindingssteder. Ved at analysere mængden af ​​det mærkede molekyle af interesse, der er bundet til antistofferne sammenlignet med det samlede antal tilgængelige antistofsteder, det er muligt at konkludere, at de resterende steder er bundet af det umærkede molekyle fra prøven, gør det muligt at bestemme koncentrationen af ​​det molekyle.

Forskerne skabte to typer konkurrencedygtige immunoassays, der brugte lidt forskellige metoder til at fange små molekyler af interesse, baseret på Simoa-systemet fra Quanterix. Den første metode bruger magnetiske mikroperler belagt med målmolekylet som konkurrent, mens den anden metode binder målmolekylet til enzymet beta-galactosidase, som derefter binder til de magnetiske perler for at danne konkurrentkomplekset. Efter at perle/antistofblandingerne får lov til at blandes med en prøve indeholdende en ukendt mængde af målmolekylet, perlerne skylles for at fjerne eventuelle ubundne molekyler og tilføjes derefter til en Simoa-skive, der indeholder tusindvis af mikrobrønde, som hver kan holde en perle bundet til et målmolekyle. En reaktion finder derefter sted, der får enhver brønd, der indeholder en perle med det mærkede målmolekyle, til at fluorescere. Jo færre antal fluorescerende brønde, jo færre mærkede målmolekyler er bundet til perlerne, og dermed jo større koncentration af det umærkede målmolekyle, der er til stede i prøven.

To små molekyler, der er vigtige for normal menneskelig kropsfunktion, blev analyseret:kortisol og PGE2. Cortisol er meget brugt til at evaluere binyrens funktion, hypofyse, og hypothalamus kirtler, mens PGE2 er et hormonlignende prostaglandinmolekyle, der påvirker inflammation, fertilitet, og immunfunktion. De nye konkurrerende metoder var i stand til at detektere deres mål med op til 50 gange større følsomhed end en konventionel ELISA (enzyme-linked immunosorbent assay), inden for cirka en time.

"Vores plan er at bruge denne metode i diagnostik til forbedret påvisning af hormoner i blodprøver, " sagde førsteforfatter Xu Wang, Ph.D., en postdoc-forsker ved BWH og Wyss Institute. "Vi arbejder på at forsøge at kommercialisere denne teknologi til hurtig detektion af små molekyler til en række kliniske og miljømæssige anvendelser."

"Walt-teamet fortsætter med at skubbe hylderne inden for diagnostik med dette fremskridt. Ved at registrere molekyler, der tidligere var uopdagelige inden for en time, de åbner helt nye tilgange til diagnostik og klinisk overvågning, som i høj grad burde forbedre menneskers sundhed. Det er netop den type translationel innovation, vi håber at muliggøre og styrke på Wyss Institute, " sagde Wyss Institutes stiftende direktør Donald Ingber, M.D., Ph.D., som også er Judah Folkman-professor i vaskulær biologi ved HMS og Vascular Biology Program på Boston Children's Hospital, samt professor i bioingeniør ved Harvard's School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).