Nye grafenoxid-biosensorer kan fremskynde forskning i HIV og kræftmedicin

Længes efter at finde en kur mod kræft, HIV og andre uhelbredelige sygdomme, forskere har allerede prøvet hundredvis af stoffer, hver kræver prækliniske og kliniske tests med levende forsøgspersoner. Hvor mange flere kemiske midler skal prøves? I en sådan hastighed, vil vi finde kuren i løbet af vores levetid?

En af de nemmeste måder at fremskynde lægemiddeludviklingsprocessen på er simpelthen at udføre den uden for den levende krop (f. ved at se stofferne reagere med de mindste prøver af levende væv og dermed hurtigt forudsige den samlede effekt, det vil have inde i kroppen). Denne tilgang vil i sidste ende give en mere effektiv præklinisk udvælgelse af lægemiddelkandidater til langsigtede og dyre kliniske forsøg. Dette kunne bringe videnskaben tættere på længe søgte kure.

Forskere fra Laboratory of Nanooptics and Plasmonics, Moskva Institut for Fysik og Teknologi - MIPT (Rusland) har udtænkt en ny type grafenoxid (GO) biosensor, der potentielt kan fremskynde processen med lægemiddeludvikling. De enestående egenskaber ved denne kulstofallotrop forbedrer biosensing-følsomheden væsentligt, som i fremtiden kan muliggøre udvikling af nye lægemidler og vacciner mod mange farlige sygdomme, herunder HIV, hepatitis og kræft. Forskningen, ledet af Yury Stebunov, en videnskabsmand ved MIPT, blev offentliggjort i ACS anvendte materialer og grænseflader . Papiret har titlen "Meget følsomme og selektive sensorchips med grafenoxid-forbindelseslag." Valentyn Volkov er medforfatter, en gæsteprofessor fra Syddansk Universitet. Andre medforfattere er Olga Aftenieva og Aleksey Arsenin.

Nye GO-baserede biosensorchips udnytter fænomenet overfladeplasmonresonans (SPR). Overfladeplasmoner er elektromagnetiske bølger, der udbreder sig langs en metal-dielektrisk grænseflade (f. guld/luft) med amplituder, der eksponentielt henfalder i det tilstødende medium. Adsorption af molekyler fra en opløsning på en føleoverflade ændrer brydningsindekset for mediet nær denne overflade og, derfor, ændrer betingelserne for SPR. Disse sensorer kan detektere biomolekyleadsorption selv ved nogle få billioner af et gram pr. millimeter kvadrat. På grund af disse egenskaber, SPR biosensing er en fremragende platform til at sætte skub i teknologiske fremskridt inden for medicin og bioteknologi. Alligevel, det mest karakteristiske træk ved sådanne sensorer er evnen til at "visualisere" molekylære interaktioner i realtid.

"SPR biosensing er et værdifuldt værktøj til at undersøge en bred vifte af biokemiske reaktioner, estimere deres kemiske kinetik og andre egenskaber. Alt dette kan effektivt bruges til at opdage og validere nye lægemidler. Udbredt introduktion af denne metode i prækliniske forsøg vil fuldstændig ændre den farmaceutiske industri. Med SPR-sensorer, vi skal bare estimere interaktionen mellem lægemidlet og målene på sanseoverfladen, " sagde Stebunov.

De fleste kommercielle SPR-sensorchips omfatter en tynd glasplade dækket af guldlag med thiol- eller polymerlag. Biosensitiviteten afhænger af spånoverfladens egenskaber. Højere bindingskapacitet for biomolekyler øger signalniveauerne og analysens nøjagtighed. I løbet af de sidste mange år, nye kulstofmaterialer som grafen har tiltrukket sig meget opmærksomhed på grund af deres store overfladeareal, lavpris fremstilling, og interaktion med en bred vifte af biomolekyler.

Stebunov og teamet fra Laboratory of Nanooptics and Plasmonics ved MIPT skabte og patenterede en ny type SPR-sensorchips med GO-forbindelseslaget. Materialet har mere attraktive optiske og kemiske egenskaber end uberørt grafen. GO "flagerne" blev aflejret på 35 nm guldlaget, efterfulgt af et lag streptavidinprotein til selektiv immobilisering af biomolekyler.

Forskere udførte en række eksperimenter, der sammenlignede GO-chippen, en kommercielt tilgængelig chip med et carboxymethyleret dextran (CMD) lag, og en chip dækket af monolag grafen. Eksperimenter viste, at den foreslåede GO-chip har tre gange højere følsomhed end CMD-chippen og 3,7 gange end chippen med uberørt grafen. Disse resultater betyder, at den nye chip har brug for færre molekyler til at påvise en forbindelse og kan bruges til analyse af kemiske reaktioner med små lægemiddelmolekyler. En vigtig fordel ved de nye GO-baserede sensorchips er deres enkelhed og lave omkostninger i forhold til sensorchips, der allerede er kommercielt tilgængelige.

"Our invention will help in drug development against viral and cancer diseases. We are expecting that the pharmaceutical industry will express a strong demand for our technology, " Stebunov said.

"The sensor can also find applications in food quality control and toxin screening, and the sensor can significantly shorten the time for a clinical diagnostic, " researcher added. However, clinical trials with the chip are still needed for medical applications.