Ny biosensor-mikrochip kan fremskynde udviklingen af ​​lægemidler

Stanford-forskere har udviklet en ny biosensor-mikrochip, der kan fremskynde processen med lægemiddeludvikling betydeligt. Mikrochipsene, spækket med meget følsomme "nanosensorer, "analysere, hvordan proteiner binder til hinanden, et kritisk skridt til at evaluere effektiviteten og mulige bivirkninger af en potentiel medicin.

En enkelt centimeter-størrelse række af nanosensorerne kan samtidigt og kontinuerligt overvåge tusindvis af gange flere proteinbindingshændelser end nogen eksisterende sensor. Den nye sensor er også i stand til at detektere interaktioner med større følsomhed og levere resultaterne væsentligt hurtigere end den nuværende "guldstandard"-metode.

"Du kan passe tusindvis, endda titusinder, af forskellige proteiner af interesse på den samme chip og kør de proteinbindingseksperimenter i ét skud, " sagde Shan Wang, professor i materialevidenskab og teknik, og elektroteknik, der ledede forskningsindsatsen.

"I teorien, i en test, du kunne se på et lægemiddels affinitet for hvert protein i menneskekroppen, " sagde Richard Gaster, MD/PhD kandidat i bioteknik og medicin, hvem er den første forfatter til et papir, der beskriver forskningen, der blev offentliggjort online i denne måned af Natur nanoteknologi .

Styrken i nanosensor-arrayet ligger i to fremskridt. Først, brugen af ​​magnetiske nanotag knyttet til det protein, der undersøges - såsom medicin - øger følsomheden af ​​overvågningen i høj grad.

Sekund, en analytisk model, som forskerne har udviklet, gør dem i stand til præcist at forudsige det endelige resultat af en interaktion baseret på kun få minutters overvågningsdata. Nuværende teknikker overvåger typisk ikke mere end fire samtidige interaktioner, og processen kan tage timer.

"Jeg tror, ​​at deres teknologi har potentiale til at revolutionere, hvordan vi laver bioassays, sagde P.J. Utz, lektor i medicin (immunologi og reumatologi) ved Stanford University Medical Center, som ikke var involveret i undersøgelsen.

Medlemmer af Wangs forskningsgruppe udviklede den magnetiske nanosensorteknologi for flere år siden og demonstrerede dens følsomhed i eksperimenter, hvor de viste, at den kunne detektere en kræftassocieret proteinbiomarkør i museblod ved en tusindedel af den koncentration, som kommercielt tilgængelige teknikker kunne detektere. Denne forskning blev beskrevet i et papir fra 2009 i Naturmedicin .

Forskerne skræddersyr nanotaggene til at vedhæfte det særlige protein, der undersøges. Når et nanotag-udstyret protein binder til et andet protein, der er knyttet til en nanosensor, den magnetiske nanotag ændrer det omgivende magnetiske felt omkring nanosensoren på en lille, men tydelig måde, som registreres af detektoren.

"Lad os sige, at vi kigger på et lægemiddel mod brystkræft, " sagde Gaster. "Målet med lægemidlet er at binde sig til målproteinet på brystkræftcellerne så stærkt som muligt. Men vi vil også vide:Hvor stærkt binder dette lægemiddel afvigende til andre proteiner i kroppen? "

For at fastslå det, forskerne ville sætte brystkræftproteiner på nanosensor-arrayet, sammen med proteiner fra leveren, lunger, nyrer og andre former for væv, som de er bekymrede for. Så ville de tilføje medicinen med dens magnetiske nanotags påsat og se, hvilke proteiner stoffet binder sig til - og hvor stærkt.

"Vi kan se, hvor stærkt lægemidlet binder til brystkræftceller, og så også hvor stærkt det binder til andre celler i den menneskelige krop, såsom din lever, nyrer og hjerne, " sagde Gaster. "Så vi kan begynde at forudsige de negative virkninger af dette lægemiddel uden nogensinde at sætte det i en menneskelig patient."

Det er den øgede følsomhed for detektion, der følger med de magnetiske nanotag, der gør det muligt for Gaster og Wang ikke kun at bestemme, hvornår en binding dannes, men også dens styrke.

"Hastigheden, hvormed et protein binder og frigiver, fortæller hvor stærkt båndet er, " sagde Gaster. Det kan være en vigtig faktor med adskillige medicin.

"Jeg er overrasket over den følsomhed, de opnåede, " sagde Utz. "De registrerer i størrelsesordenen mellem 10 og 1, 000 molekyler, og det er for mig ret overraskende."

Nanosensoren er baseret på den samme type sensor som bruges i computerharddiske, sagde Wang.

"Fordi vores chip er fuldstændig baseret på eksisterende mikroelektronikteknologi og -procedurer, antallet af sensorer pr. område er meget skalerbar med meget få omkostninger, " han sagde.

Selvom de chips, der bruges i arbejdet beskrevet i Natur nanoteknologi papir havde lidt mere end 1, 000 sensorer per kvadratcentimeter, Wang sagde, at det ikke burde være noget problem at sætte titusindvis af sensorer på det samme fodaftryk.

"Det kan skaleres til over 100, 000 sensorer pr. centimeter, uden selv at skubbe teknologigrænserne i mikroelektronikindustrien, " han sagde.

Wang sagde, at han ser en lys fremtid for stadig stærkere nanosensor-arrays, da den teknologiske infrastruktur til fremstilling af sådanne nanosensor-arrays er på plads i dag.

"Det næste trin er at gifte denne teknologi med et specifikt lægemiddel, der er under udvikling, " sagde Wang. "Det vil være den virkelig dræbende anvendelse af denne teknologi."