Nanoteknologi -gennembrud kan dramatisk forbedre medicinske tests

En laboratorietest, der bruges til at opdage sygdom og udføre biologisk forskning, kan gøres mere end 3 millioner gange mere følsom, ifølge forskere, der kombinerede standard biologiske værktøjer med et gennembrud inden for nanoteknologi.

Den øgede ydeevne kan i høj grad forbedre den tidlige opdagelse af kræft, Alzheimers sygdom og andre lidelser ved at lade læger opdage langt lavere koncentrationer af markante markører end tidligere var praktisk.

Gennembruddet involverer en fælles biologisk test kaldet en immunoassay, som efterligner immunsystemets virkning for at detektere tilstedeværelsen af ​​biomarkører - de kemikalier, der er forbundet med sygdomme. Når biomarkører er til stede i prøver, som dem, der er taget fra mennesker, immunassaytesten producerer en fluorescerende glød (lys), der kan måles i et laboratorium. Jo større glød, jo mere af biomarkøren er til stede. Imidlertid, hvis mængden af ​​biomarkør er for lille, fluorescerende lys er for svagt til at blive registreret, indstilling af detektionsgrænsen. Et stort mål inden for immunoassay -forskning er at forbedre detektionsgrænsen.

Princeton -forskerne tacklede denne begrænsning ved at bruge nanoteknologi til i høj grad at forstærke den svage fluorescens fra en prøve. Ved at forme glas- og guldstrukturer så små, kunne de kun ses med et kraftigt elektronmikroskop, forskerne var i stand til drastisk at øge fluorescenssignalet sammenlignet med konventionelle immunoassays, hvilket fører til en 3-million gange forbedring af detektionsgrænsen. Det er, den forbedrede immunassay ville kræve 3 millioner gange færre biomarkører til stede i forhold til en konventionel immunoassay. (Teknisk set, forskerne målte en forbedring i detektionsgrænsen fra 0,9 nanomolarer til 300 attomolarer.)

"Dette fremskridt åbner mange nye og spændende muligheder for immunoassays og andre detektorer, såvel som ved tidlig opdagelse og behandling af sygdomme, "sagde Stephen Chou, Joseph C. Elgin professor i teknik, der ledede forskergruppen. "Desuden, det nye assay er meget let at bruge, siden for den person, der udførte testen, der vil ikke være nogen forskel fra den gamle - de gør proceduren på nøjagtig samme måde. "

Forskerne offentliggjorde deres resultater i to nylige tidsskriftartikler. En, udgivet 10. maj i nanoteknologi, beskriver fysikken og konstruktionen af ​​det fluorescensforbedrende materiale. Den anden, udgivet 20. april i Analytisk kemi, demonstrerer effekten i immunoassays. Ud over Chou, forfatterne inkluderer postdoktorale forskere Weihua Zhang, Liangcheng Zhou og Jonathan Hu og kandidatstuderende Fei Ding, Wei Ding, Wen-Di Li og Yuxuan Wang.

Arbejdet blev finansieret af Defense Advanced Research Project Agency og National Science Foundation.

Nøglen til gennembruddet ligger i et nyt kunstigt nanomateriale kaldet D2PA, som har været under udvikling i Chous laboratorium i flere år. D2PA er et tyndt lag af nanostrukturer af guld omgivet af glassøjler med en diameter på kun 60 nanometer. (Et nanometer er en milliarddel af en meter; det betyder cirka 1, 000 af de søjler, der blev lagt side om side, ville være lige så brede som et menneskehår.) Søjlerne er anbragt 200 nanometer adskilt og lukket med en guldskive på hver søjle. Siderne på hver søjle er plettet med endnu tyndere guldprikker på omkring 10 til 15 nanometer i diameter. I tidligere arbejde, Chou har vist, at denne unikke struktur øger indsamling og transmission af lys på usædvanlige måder - især en 1 milliard gange stigning i en effekt kaldet overflade Raman-spredning. Det nuværende arbejde demonstrerer nu en kæmpe signalforbedring med fluorescens.

I en typisk immunassay, en prøve som blod, spyt eller urin tages fra en patient og sættes til små hætteglas med antistoffer, der er designet til at "fange" eller binde til biomarkører af interesse i prøven. Et andet sæt antistoffer, der er blevet mærket med et fluorescerende molekyle, tilsættes derefter til blandingen. Hvis biomarkørerne ikke findes i hætteglassene, de fluorescerende detektionsantistoffer vedhæfter ikke noget og vaskes væk. Den nye teknologi udviklet på Princeton gør det muligt at se fluorescensen, når meget få antistoffer finder deres mærke.

Ud over diagnostiske anvendelser, immunassays bruges almindeligvis i lægemiddelopdagelse og anden biologisk forskning. Mere generelt, fluorescens spiller en væsentlig rolle inden for andre områder inden for kemi og teknik, fra lysemitterende skærme til solhøstning, og D2PA -materialet kunne finde anvendelser inden for disse felter, Sagde Chou.

Som de næste trin i hans forskning, Chou sagde, at han udfører tests for at sammenligne følsomheden af ​​D2PA-forstærket immunoassay med en konventionel immunoassay til påvisning af bryst- og prostatakræft. Derudover samarbejder han med forskere ved Memorial Sloan-Kettering Cancer Center i New York for at udvikle tests til at opdage proteiner forbundet med Alzheimers sygdom på et meget tidligt tidspunkt.

"Du kan få meget tidlig opdagelse med vores tilgang, " han sagde.