Ny elektronisk biosensing -teknologi kunne lette en ny æra med personlig medicin

Den flerbrøndede mikroplade, længe et standardværktøj i biomedicinske forsknings- og diagnostiske laboratorier, kunne blive fortid takket være ny elektronisk biosenseringsteknologi udviklet af et team af mikroelektronikingeniører og biomedicinske forskere ved Georgia Institute of Technology.

I det væsentlige arrays af små reagensglas, mikroplader har været brugt i årtier til samtidig at teste flere prøver for deres reaktioner på kemikalier, levende organismer eller antistoffer. Fluorescens eller farveændringer i mærker forbundet med forbindelser på pladerne kan signalere tilstedeværelsen af ​​bestemte proteiner eller gensekvenser.

Forskerne håber at erstatte disse mikroplader med moderne mikroelektronik -teknologi, herunder engangsarrays, der indeholder tusindvis af elektroniske sensorer forbundet til kraftfulde signalbehandlingskredsløb. Hvis de lykkes, denne nye elektroniske biosensingsplatform kunne hjælpe med at realisere drømmen om personlig medicin ved at muliggøre sygdomsdiagnose i realtid - potentielt på et lægekontor - og ved at hjælpe med at vælge individualiserede terapeutiske tilgange.

“Denne teknologi kunne hjælpe med at lette en ny æra med personlig medicin, ”Sagde John McDonald, chefforsker ved Ovarian Cancer Institute i Atlanta og professor ved Georgia Tech School of Biology. ”En enhed som denne kunne hurtigt påvise genmutationer, der er tegn på kræft hos enkeltpersoner, og derefter bestemme, hvad der ville være den optimale behandling. Der er mange potentielle applikationer til dette, der ikke kan gøres med den nuværende analytiske og diagnostiske teknologi. ”

Grundlæggende for det nye biosensingssystem er evnen til elektronisk at opdage markører, der skelner mellem raske og syge celler. Disse markører kan være forskelle i proteiner, mutationer i DNA eller endda specifikke niveauer af ioner, der findes i forskellige mængder i kræftceller. Forskere finder flere og flere forskelle som disse, der kan udnyttes til at skabe hurtige og billige elektroniske detektionsteknikker, der ikke er afhængige af konventionelle mærker.

”Vi har sammensat flere nye stykker nanoelektronik -teknologi til at skabe en metode til at gøre tingene på en helt anden måde, end hvad vi har gjort, ”Sagde Muhannad Bakir, en lektor ved Georgia Tech’s School of Electrical and Computer Engineering. ”Det, vi skaber, er en ny generel registreringsplatform, der udnytter det bedste fra nanoelektronik og tredimensionel elektronisk systemintegration til at modernisere og tilføje nye applikationer til den gamle mikroplade-applikation. Dette er et ægteskab mellem elektronik og molekylærbiologi. ”

De tredimensionelle sensorarrays er fremstillet ved hjælp af konventionelle billige, top-down mikroelektronik teknologi. Selvom eksisterende prøveforberedelses- og indlæsningssystemer muligvis skal ændres, de nye biosensor -arrays bør være kompatible med eksisterende arbejdsgange i forsknings- og diagnostiske laboratorier.

"Vi vil gøre disse enheder enkle at fremstille ved at drage fordel af alle de fremskridt, der er gjort inden for mikroelektronik, samtidig med at brugervenligheden for klinikeren eller forskeren ikke ændres væsentligt, ”Sagde Ramasamy Ravindran, en uddannet forskningsassistent i Georgia Techs Nanotechnology Research Center og School of Electrical and Computer Engineering.

En vigtig fordel ved platformen er, at detektering sker ved hjælp af billige, engangskomponenter, mens informationsbehandling vil blive udført af genanvendelige konventionelle integrerede kredsløb, der midlertidigt er forbundet til arrayet. Ultra-høj densitet fjederlignende mekanisk kompatible stik og avancerede "gennem-silicium vias" vil lave de elektriske forbindelser, mens teknikere kan udskifte biosensor-arrays uden at beskadige det underliggende kredsløb.

Ved at adskille sanse- og behandlingsdelene kan fabrikationen optimeres for hver type enhed, bemærker Hyung Suk Yang, en forskerassistent, der også arbejder i Nanoteknologiforskningscentret. Uden adskillelsen, de materialer og processer, der kan bruges til at fremstille sensorerne, er stærkt begrænsede.

Følsomheden af ​​de små elektroniske sensorer kan ofte være større end nuværende systemer, muligvis muliggøre opdagelse af sygdomme tidligere. Fordi prøvebrøndene vil være væsentligt mindre end de nuværende mikropladers - hvilket tillader en mindre formfaktor - kunne de muliggøre, at der udføres flere test med et givet prøvevolumen.

Teknologien kan også lette brugen af ​​ligandbaseret sansning, der genkender specifikke genetiske sekvenser i DNA eller messenger-RNA. “Dette ville meget hurtigt give os en indikation af de proteiner, der udtrykkes af den patient, som giver os viden om sygdomstilstanden på plejestedet, ”Forklarede Ken Scarberry, en postdoktor i McDonald's lab.

Indtil nu, forskerne har demonstreret et biosensingssystem med silicium nanotråd sensorer i en 16-brønds enhed bygget på en centimeter af en centimeter chip. Nanotråde, kun 50 x 70 nanometer, differentieret mellem kræftceller i æggestokkene og raske æggestokkepitelceller ved forskellige celletætheder.

Silicon nanotråds sensorteknologi kan bruges til samtidig at detektere et stort antal forskellige celler og biomaterialer uden etiketter. Ud over den alsidige teknologi, biosensingsplatformen kunne rumme en bred vifte af andre sensorer - herunder teknologier, der muligvis ikke eksisterer endnu. Ultimativt, hundredtusinder af forskellige sensorer kunne inkluderes på hver chip, nok til hurtigt at opdage markører for en lang række sygdomme.

”Vores platformside er virkelig sensoragnostisk, ”Sagde Ravindran. ”Det kunne bruges med en masse forskellige sensorer, som mennesker udvikler. Det ville give os en mulighed for at samle en masse forskellige slags sensorer i en enkelt chip. ”

Genetiske mutationer kan føre til et stort antal forskellige sygdomstilstande, der kan påvirke en patients reaktion på sygdom eller medicin, men de nuværende mærkede sansemetoder er begrænsede i deres evne til at detektere et stort antal forskellige markører samtidigt.

Kortlægning af enkeltnukleotidpolymorfier (SNP'er), variationer, der tegner sig for cirka 90 procent af menneskelig genetisk variation, kunne bruges til at bestemme en patients tilbøjelighed til en sygdom, eller deres sandsynlighed for at drage fordel af en bestemt intervention. Den nye biosenseringsteknologi kan gøre det muligt for plejepersonalet at producere og analysere SNP-kort på plejestedet.

Selvom der stadig er mange tekniske udfordringer, evnen til at screene for tusinder af sygdomsmarkører i realtid har biomedicinske forskere som McDonald begejstret.

"Med nok sensorer derinde, du kunne teoretisk sætte alle mulige kombinationer på arrayet, " han sagde. “Dette er ikke blevet anset for muligt før nu, fordi det sandsynligvis ikke er muligt at lave en array, der er stor nok til at opdage dem alle med den nuværende teknologi. Men med mikroelektronik -teknologi, du kan nemt inkludere alle de mulige kombinationer, og det ændrer ting. ”

Papirer, der beskriver biosensorenheden, blev præsenteret på konferencen Electronic Components and Technology og International Interconnect Technology Conference i juni 2010.