Forskere når hellig gral i etiketfri kræftmarkørdetektion:Enkeltmolekyler

Kun måneder efter at have sat rekord for at opdage den mindste enkelt virus i opløsning, forskere ved Polytechnic Institute of New York University (NYU-Poly) har annonceret et nyt gennembrud:De brugte en nano-forbedret version af deres patenterede mikrokavitetsbiosensor til at opdage et enkelt kræftmarkørprotein, som er en sjettedel på størrelse med den mindste virus, og endnu mindre molekyler under massen af ​​alle kendte markører. Denne præstation knuser den tidligere rekord, fastsætter et nyt benchmark for den mest følsomme registreringsgrænse, og kan væsentligt fremme tidlig sygdomsdiagnostik. I modsætning til den nuværende teknologi, som vedhæfter et fluorescerende molekyle, eller etiket, til antigenet for at tillade det at blive set, den nye proces detekterer antigenet uden en interfererende etiket.

Stephen Arnold, universitetsprofessor i anvendt fysik og medlem af Othmer-Jacobs Department of Chemical and Biomolecular Engineering, offentliggjorte detaljer om præstationen i Nano bogstaver , en publikation fra American Chemical Society.

I 2012, Arnold og hans team var i stand til i opløsning at opdage det mindste kendte RNA -virus, MS2, med en masse på 6 attogram. Nu, med eksperimentelt arbejde af postdoktor Venkata Dantham og tidligere studerende David Keng, to proteiner er blevet påvist:et humant kræftmarkørprotein kaldet Thyroglobulin, med en masse på kun 1 attogram, og kvægformen af ​​et almindeligt plasmaprotein, serumalbumin, med en langt mindre masse på 0,11 attogram. "Et attogram er en milliontedel af en milliontedel af en milliontedel af et gram, "sagde Arnold, "og vi mener, at vores nye detektionsgrænse kan være mindre end 0,01 attogram."

Denne seneste milepæl bygger på en teknik, der var banebrydende af Arnold og samarbejdspartnere fra NYU-Poly og Fordham University. I 2012, forskerne satte den første størrelsesrekord ved at behandle en ny biosensor med plasmoniske guldnano-receptorer, forbedring af sensorens elektriske felt og tillader selv de mindste skift i resonansfrekvens at blive registreret. Deres plan var at designe en medicinsk diagnostisk enhed, der er i stand til at identificere en enkelt viruspartikel i en plejeposition, uden brug af specielle analysepræparater.

På det tidspunkt, tanken om at opdage et enkelt protein - fænomenalt mindre end en virus - blev angivet som det endelige mål.

"Proteiner driver kroppen, "forklarede Arnold." Når immunsystemet støder på virus, det pumper enorme mængder af antistofproteiner ud, og alle kræftformer genererer proteinmarkører. En test, der er i stand til at påvise et enkelt protein, ville være den mest følsomme diagnostiske test, man kan forestille sig. "

Til forskernes overraskelse, undersøgelse af deres nanoreceptor under et transmissionselektronmikroskop afslørede, at dens guldskaloverflade var dækket af tilfældige stød, der var nogenlunde på størrelse med et protein. Computerkortlægning og simuleringer skabt af Stephen Holler, engang Arnolds studerende og nu adjunkt i fysik ved Fordham University, viste, at disse uregelmæssigheder genererer deres eget meget reaktive lokale følsomhedsfelt, der strækker sig over flere nanometer, forstærker sensorens muligheder langt ud over de originale forudsigelser. "En virus er alt for stor til at blive hjulpet til påvisning af dette felt, "Arnold sagde." Proteiner er kun et par nanometer på tværs - præcis den rigtige størrelse til registrering i dette rum. "

Konsekvenserne af detektion af enkelt protein er betydelige og kan lægge grundlaget for forbedret medicinsk terapi. Blandt andre fremskridt, Arnold og hans kolleger fastslår, at evnen til at følge et signal i realtid - faktisk at være vidne til påvisning af et enkelt sygdomsmarkørprotein og spore dets bevægelse - kan give ny forståelse for, hvordan proteiner fæstner sig til antistoffer.

Arnold kaldte den nye metode til etiketfri detektion "hvisker galleri-mode biosensering", fordi lysbølger i systemet mindede ham om den måde, stemmer stemmer på rundt om det hviskende galleri under kuplen i St. Paul's Cathedral i London. En laser sender lys gennem en glasfiber til en detektor. Når en mikrosfære placeres mod fiberen, visse lysbølgelængder afstikker ind i kuglen og hopper rundt indeni, skaber en dukkert i lyset, som detektoren modtager. Når et molekyle som en kræftmarkør klæber til en guld -nanoshell fastgjort til mikrosfæren, mikrosfærens resonansfrekvens skifter med en målbar mængde.