Fremtidig biosensor til kontinuerlig overvågning ved hjælp af molekylære lookalikes

Biosensorer måler koncentrationen af ​​molekyler i biologiske prøver til biomedicinske, miljø, og industrielle applikationer, og, ideelt set, de skal levere realtid, løbende data. Imidlertid, den kontinuerlige overvågning af små molekyler ved lave koncentrationer er problematisk. Forskere ved Eindhoven teknologiske universitet har udviklet en innovativ sansemetode baseret på molekylære lookalikes. Dette kan vise sig at være afgørende i fremtidige biosensorer til overvågning af sundhed og sygdom.

Biosensorområdet har en rig og opfindsom historie. "Biosensorernes far" ses af mange for at være Leland C. Clark Jr., der designede en sensor til måling af ilt i blod i begyndelsen af ​​1960'erne.

Imidlertid, som det sker i banebrydende værker, tingene startede ikke som han havde håbet. Hans første sensordesign mislykkedes, fordi blodkomponenter påvirkede følerelektroden.

Clarks løsning var at adskille elektroden og blodet ved hjælp af en cellofanindpakning fra en cigaretpakke, hvilket viste sig at være den løsning, der var nødvendig for pålideligt at måle ilt i blod. Et glimrende eksempel på at være kreativ og innovativ i laboratoriet!

Spol frem til 2020, og forskere fra afdelingerne for biomedicinsk teknik og anvendt fysik på TU/e ​​demonstrerer lignende opfindsomhed, når det kommer til at mærke lavmassemolekyler af interesse.

I et papir udgivet i ACS -sensorer , Junhong Yan, Menno Prins, og kolleger viser frem en ny tilgang, der løbende kan måle koncentrationen af ​​lavmassemolekyler af interesse i biologiske prøver baseret på biosensing ved partikelmobilitet (BPM).

"Vores tilgang er en platform for fremtidige biosensorer til løbende at overvåge markører forbundet med personlige helbredstilstande, såsom nyre- eller leversvigt, "siger Yan.

Biosensorer 101

Eksisterende biosensorer giver typisk et enkelt måleresultat fra en enkelt biologisk prøve. Prøven kan være blod, sved, urin, eller spyt, og resultatet kan være niveauet af et protein, et hormon, et stof, eller en virus i prøven.

Imidlertid, det ville være bedre, hvis sensorer giver en kontinuerlig datastrøm frem for kun et enkelt datapunkt, fordi det ville give en person mulighed for at overvåge, hvordan en medicinsk tilstand udvikler sig over tid.

Den eneste kontinuerlige biosensor, der i øjeblikket er kommercielt tilgængelig, er Continuous Glucose Monitor (CGM), der løbende måler glukose i interstitiel hudvæske, hvilket er meget nyttigt for personer med diabetes. Desværre, andre molekyler end glucose kan endnu ikke måles kontinuerligt. Dette giver en betydelig mulighed for sensorinnovation!

Hver biosensor består af tre hoveddele - en molekylær komponent, der involverer en bioreceptor, der kan binde til molekylet af interesse, et transducerende princip, der konverterer den molekylære genkendelse til et detekterbart signal, og et detektionssystem, der registrerer signalet og præsenterer svaret som et tal, kurve, lyd, eller lysindikation, der let skal tolkes af brugeren.

"I dette arbejde har vi fokuseret på den første del - at udtænke et molekylært princip til løbende at måle molekyler af interesse med lav molekylmasse og lav koncentration, «siger Prins.

Molekylære lookalikes

Sensoren designet af Yan, Prins, og teamet vedtog brugen af ​​molekylære lookalikes eller falske versioner af molekylerne af interesse.

Så hvordan hjælper disse lignede molekyler med påvisning af de rigtige molekyler? Menno Prins forklarer mere:"Sensorens overflade er belagt med antistoffer, der kan binde til molekylerne af interesse. Når der ikke er molekyler i testvæsken, de lignede molekyler er frie til at binde til antistofferne. Imidlertid, når der er molekyler af interesse for væsken, disse kan binde til antistofferne. Som resultat, lookalikes frigives fra deres binding til antistofferne. "

De lignede molekyler bevæger sig ikke frit rundt om sensoren, som molekylerne af interesse gør i en testvæske. Disse lignede molekyler er knyttet til en mikropartikel, som er bundet til sensorens overflade ved hjælp af DNA, så skift mellem bundne og ubundne tilstande kan detekteres.

Binding er nøglen

Betjeningen af ​​registreringsplatformen er ganske enkel, og genialt skal det siges. Alle molekylære bindingshændelser er designet til at være reversible. Dette inkluderer bindingen mellem antistoffer og lookalikes, og bindingen mellem antistofferne og molekylerne af interesse i opløsning.

Gentagne bindende og ikke -bindende begivenheder, der involverer de lignede molekyler eller molekylerne af interesse i en væske, finder sted, og disse hændelser kan let måles ved hjælp af optisk mikroskopi ved at registrere mikropartiklens tilstand.

Når der er en høj koncentration af molekylerne af interesse i en opløsning, så blokeres de fleste antistoffer på sensoroverfladen. Dette reducerer potentialet for mikropartiklerne til at skifte til en bundet tilstand. På den anden side, når koncentrationen er lav, så sker der mange skift mellem bundne og ubundne tilstande på grund af de reversible bindinger af de molekylære lookalikes.

"Detektion af bindende og ubindende hændelser for et stort antal partikler forårsaget af de specifikke molekylære interaktioner er nøglen til teknologien, giver os mulighed for at måle små ændringer i molekylkoncentrationen i væsken, "siger Yan.

Består test og næste trin

For at teste deres nye tilgang, forfatterne designet sensorer til at overvåge koncentrationerne af korte enkeltstrengede DNA-fragmenter og kreatinin. Koncentrationerne blev overvåget over timer, med en tidsopløsning på et par minutter.

Kreatinin er et metabolitmolekyle med en lille masse på kun 113 Dalton, der er en markør for nyrefunktion. Markøren kunne måles i det medicinsk relevante område mellem 10 μM og 10 mM. Enkeltstrenget DNA kunne måles mellem 10 nM og 1 μM.

"Disse resultater er meget lovende og viser, at små molekyler kontinuerligt kan overvåges på tværs af en lang række koncentrationer. Vores næste mål er at demonstrere teknologien til en lang række molekyler og biologiske væsker, for at muliggøre fremtidige applikationer inden for sundhedsvæsenet, og i industriel proces og miljøovervågning "siger Prins.

Denne innovative sensing-tilgang kan meget vel løse problemer med påvisning af lavmolekylære biomarkører til vores fremtidige biosensorbehov.

Selvom tilgangen er lidt mere sofistikeret end brugen af ​​cellofanindpakning på en elektrode, det er ganske sandsynligt, at afdøde Leland C. Clark Jr. ville have været imponeret.