En biosensor til måling af ekstracellulære hydrogenperoxidkoncentrationer

Forskere ved Kanazawa University rapporterer i Biosensorer og bioelektronik en vellykket test af en sensor til måling af hydrogenperoxidkoncentrationer nær cellemembraner. Sensoren har potentiale til at blive et redskab til nye kræftbehandlinger.

Flere processer i menneskekroppen reguleres af biokemiske reaktioner, der involverer hydrogenperoxid (H ₂ O ₂ ). Selvom det kan fungere som en 'sekundær budbringer, "videresendelse eller forstærkning af bestemte signaler mellem celler, H ₂ O ₂ er generelt giftig på grund af dets oxidant karakter. Sidstnævnte betyder, at det omdanner (oxiderer) biokemiske molekyler som proteiner og DNA. Den oxiderende egenskab af H ₂ O ₂ er af potentiel terapeutisk relevans for kræft, dog:bevidst forårsager tumorceller til at øge deres H ₂ O ₂ koncentration ville være en måde at ødelægge dem. I lyset af dette, men også til overvågning af patologier forbundet med H ₂ O ₂ overproduktion, det er afgørende at have et middel til pålideligt at kvantificere hydrogenperoxidkoncentrationer i det ekstracellulære miljø. Nu, Leonardo Puppulin fra Nano Life Science Institute (WPI-NanoLSI), Kanazawa University og kolleger har udviklet en sensor til måling af koncentrationer af H ₂ O ₂ i nærheden af ​​cellemembraner, med nanometeropløsning.

Biosensoren består af en guld nanopartikel med organiske molekyler knyttet til den. Hele klyngen er designet, så den let forankres på ydersiden af ​​cellens membran, som er præcis der, hvor hydrogenperoxidmolekylerne skal detekteres. Som vedhæftningsmolekyler, forskerne brugte en forbindelse kaldet 4MPBE, kendt for at have et stærkt Raman -spredningsrespons:ved bestråling af en laser, molekylerne forbruger noget af laserlysets energi. Ved at måle laserlysets frekvensændring, og afbildning af signalstyrken som en funktion af denne ændring, der opnås et unikt spektrum - en signatur af 4MPBE -molekylerne. Når et 4MPBE -molekyle reagerer med et H ₂ O ₂ molekyle, dets Raman -spektrum ændrer sig. Baseret på dette princip, ved at sammenligne Raman -spektre, Puppulin og kolleger var i stand til at opnå et skøn over H ₂ O ₂ koncentration nær biosensoren.

Efter at have udviklet en kalibreringsprocedure for deres nanosensor - relateret til H ₂ O ₂ koncentration til en ændring i Raman -spektret på en kvantitativ måde er ikke ligetil - forskerne var i stand til at producere et koncentrationskort med en opløsning på omkring 700 nm for lungekræftcelleprøver. Endelig, det lykkedes dem også at udvide deres teknik til at opnå målinger af H ₂ O ₂ koncentrationsvariation på tværs af cellemembraner.

Puppulin og kolleger konkluderer, at deres "nye tilgang kan være nyttig til undersøgelsen af ​​den faktiske H ₂ O ₂ koncentrationer involveret i celleproliferation eller død, som er grundlæggende for fuldt ud at belyse fysiologiske processer og for at designe nye terapeutiske strategier. "

Biosensoren udviklet af Leonardo Puppulin fra Kanazawa University og kolleger er baseret på en metode kaldet overfladeforbedret Raman-spektroskopi (SERS). Princippet stammer fra Raman -spektroskopi, hvor forskelle mellem de indkommende og de udgående frekvenser af laserlys bestrålet på en prøve analyseres. Spektret opnået ved at plotte signalstyrken som en funktion af frekvensforskel er karakteristisk for prøven, som i princippet kan være et enkelt molekyle. Typisk, imidlertid, signalet fra et molekyle er for svagt til at detektere, men effekten kan forstærkes, når molekylet absorberes på en ru metaloverflade. Puppulin og kolleger anvendte teknikken til (indirekte) at påvise brintoverilte; deres Raman-responsive molekyle er en forbindelse kaldet 4MPBE, som modificeres ved eksponering for hydrogenperoxid.