Forskere knytter antistoffer til borreliose til nanorør, baner vej for diagnoseudstyr

(Phys.org) —Tidlig diagnose er afgørende for behandling af borreliose. Imidlertid, næsten en fjerdedel af borreliosepatienter er i begyndelsen fejldiagnosticeret, fordi de nuværende tilgængelige serologiske tests har ringe sensitivitet og specificitet i de tidlige stadier af infektion. Fejldiagnosticerede patienter kan gå ubehandlet og dermed udvikle sig til det sene stadie af borreliose, hvor de står over for længere og mere invasive behandlinger, samt vedvarende symptomer.

Eksisterende test vurderer tilstedeværelsen af ​​antistoffer mod bakterielle proteiner, som tager uger at danne sig efter den første infektion og fortsætter efter infektionen er væk. Nu, en nanoteknologi-inspireret teknik udviklet af forskere ved University of Pennsylvania kan føre til diagnostik, der kan påvise selve organismen.

Undersøgelsen blev ledet af professor A. T. Charlie Johnson fra Institut for Fysik og Astronomi på Penns School of Arts and Sciences sammen med kandidatstuderende Mitchell Lerner, bachelorforsker Jennifer Dailey og postdoc Brett R. Goldsmith, hele fysikken. De samarbejdede med Dustin Brisson, en adjunkt i biologi, der forsynede holdet med ekspertise om bakterien.

Deres forskning blev offentliggjort i tidsskriftet Biosensorer og bioelektronik .

"Når du først er inficeret med borreliose-bakterien, du udvikler ikke antistoffer i mange dage til et par uger, " sagde Johnson. "Mange mennesker ser deres læge, før antistoffer udvikler sig, fører til negative serologiske testresultater. Og efter en første infektion, du vil stadig have disse antistoffer, så brug af disse serologiske diagnostik vil ikke gøre det klart, om du stadig er inficeret eller ej, efter at du er blevet behandlet med antibiotika."

Forskerholdets idé var at vende processen rundt, ved hjælp af laboratorieproducerede antistoffer til at påvise tilstedeværelsen af ​​proteiner fra organismen. Dette er en forlængelse af tidligere arbejde, som Johnsons laboratorium har udført med at forbinde andre biologiske strukturer, såsom olfaktoriske receptorer og DNA, til kulstof nanorør-baserede enheder.

Kulstof nanorør, sammenrullede gitter af carbonatomer, er meget ledende og følsomme over for elektrisk ladning, gør dem til lovende komponenter af elektroniske enheder i nanoskala. Ved at knytte forskellige biologiske strukturer til nanorørets ydre, de kan fungere som meget specifikke biosensorer. Når den vedhæftede struktur binder til et molekyle, at molekylets ladning kan påvirke nanorørets elektriske ledning, som kan være en del af et elektrisk kredsløb som en ledning. En sådan anordning kan derfor give en elektronisk udlæsning af tilstedeværelsen, eller endda koncentration, af et bestemt molekyle.

For at få det elektriske signal ud af disse nanorør, holdet forvandlede dem først til transistorenheder.

"Vi dyrker først disse nanorør på, hvad der svarer til en stor chip ved hjælp af en dampaflejringsmetode, lav derefter elektriske forbindelser i det væsentlige tilfældigt, " sagde Johnson. "Derefter bryder vi chippen op og tester alle de individuelle nanorørtransistorer for at se, hvilke der virker bedst."

I deres seneste eksperiment, Johnsons team knyttede antistoffer, der naturligt udvikles i de fleste dyr, der er inficeret med Lyme-bakterien, til disse nanorørtransistorer. Disse antistoffer binder sig naturligt til et antigen, I dette tilfælde, et protein i Lyme-bakterien, som en del af kroppens immunrespons.

"Vi har en kemisk proces, der lader os forbinde ethvert protein til kulstof nanorør. Nanorør er meget stabile, så vi har en meget reaktiv forbindelse, der binder sig til nanorøret og også har en carboxylsyregruppe i den anden ende. For biokemikere, at få enhver form for protein til at binde sig til en carboxylsyregruppe er bare en barneleg på dette tidspunkt, og vi har arbejdet med dem for at lære, hvordan man udfører denne kemi på sidevæggen af ​​nanorør. "

Efter at have brugt atomkraftmikroskopi for at vise, at antistoffer faktisk havde bundet sig til ydersiden af ​​deres nanorørtransistorer, forskerne testede dem elektrisk for at få en baseline-aflæsning. De satte derefter nanorørene i opløsninger, der indeholdt forskellige koncentrationer af målproteinet fra Lyme-bakterie.

"Når vi vasker opløsningen væk og tester nanorørtransistorerne igen, ændringen i, hvad vi måler, fortæller os, at hvor meget af antigenet, der er bundet, " sagde Johnson. "Og vi ser det forhold, vi forventer at se, ved at jo mere antigen der var i opløsningen, jo større ændring i signalet."

Den mindste koncentration, nanorørenhederne kunne detektere, var fire nanogram protein per milliliter opløsning.

"Denne følsomhed er mere end tilstrækkelig til at påvise borreliosebakterien i blodet hos nyligt inficerede patienter og kan være tilstrækkelig til at påvise bakterien i væsker fra patienter, der har modtaget utilstrækkelig behandling, " sagde Brisson.

"Vi ønsker virkelig, at det protein, vi søger at opdage, binder sig så tæt på nanorøret som muligt, da det er det, der øger styrken af ​​det elektriske signal, " sagde Johnson. "Udvikling af en mindre, minimal version af antistoffet - hvad vi kalder et enkelt kæde variabelt fragment - ville være et næste skridt.

"Baseret på vores tidligere arbejde med enkeltkædede variable fragmenter af andre antistoffer, dette ville sandsynligvis gøre sådan en enhed omkring tusind gange mere følsom."

Forskerne foreslog, at givet fleksibiliteten i deres teknik til at fastgøre forskellige biologiske strukturer, eventuelle diagnostiske værktøjer kunne inkorporere flere antistoffer, hver påviser et forskelligt protein fra Lyme-bakterien. En sådan opsætning ville forbedre nøjagtigheden og skære ned på muligheden for falsk-positive diagnoser.

"Hvis vi skulle lave denne type test på en persons blod nu, imidlertid, vi vil sige, at personen har sygdommen, " sagde Johnson. "Den første tanke er, at hvis du opdager noget protein, der kommer fra Lyme-organismen i dit blod, du er smittet og skal i behandling med det samme."