Forskere designer og patenterer grafenbiosensorer

Moscow Institute of Physics and Technology (MIPT) patenterer biosensorchips baseret på grafen, grafenoxid og carbon nanorør, der vil forbedre analysen af ​​biokemiske reaktioner og fremskynde udviklingen af ​​nye lægemidler.

Det amerikanske patentkontor har for nylig offentliggjort patentansøgningen (nr. US 2015/0301039), som blev indgivet af MIPT i maj i år og har titlen "Biologisk sensor og en metode til fremstilling af biologisk sensor." I Rusland, denne udvikling er allerede beskyttet af patent nr. 2527699 med en prioritetsdato den 20. februar, 2013. Sensorens nøglefunktion er brugen af ​​et bindingslag til biomolekylær immobilisering omfattende en tynd film af grafen eller grafenoxid.

Graphene er den første virkelig todimensionale krystal, som blev opnået eksperimentelt og undersøgt vedrørende dets unikke kemiske og fysiske egenskaber. I 2010, to MIPT -alumner, Andre Geim og Konstantin Novoselov, fik Nobelprisen i fysik "for banebrydende eksperimenter vedrørende det todimensionale materiale grafen". Der er nu sket en betydelig stigning i antallet af forskningsundersøgelser, der sigter mod at finde kommercielle anvendelser for grafen og andre todimensionelle materialer. En af de mest lovende applikationer for grafen menes at være biomedicinske teknologier, hvilket er hvad forskere fra Laboratory of Nanooptics and Plasmonics ved MIPT's Center of Excellence for Nanoscale Optoelectronics i øjeblikket undersøger.

Mærkefrie biosensorer er relativt nye i biokemiske og farmaceutiske laboratorier, og har gjort arbejdet meget lettere. Sensorerne gør det muligt for forskere at opdage lave koncentrationer af biologisk signifikante molekylære stoffer (RNA, DNA, proteiner, herunder antistoffer og antigener, virus og bakterier) og undersøge deres kemiske egenskaber. I modsætning til andre biokemiske metoder, fluorescerende eller radioaktive etiketter er ikke nødvendige for disse biosensorer, hvilket gør det lettere at gennemføre et eksperiment, og reducerer også sandsynligheden for fejlagtige data på grund af de virkninger, etiketter har på biokemiske reaktioner. De vigtigste anvendelser af denne teknologi er inden for farmaceutisk og videnskabelig forskning, medicinsk diagnostik, fødevarekvalitetskontrol og påvisning af toksiner. Etiketfrie biosensorer har allerede bevist sig selv som en metode til at opnå de mest pålidelige data om farmakokinetik og farmakodynamik af lægemidler i prækliniske undersøgelser. Fordelene ved denne metode forklares ved, at kinetikken for de biokemiske reaktioner af liganden (aktivt stof) med forskellige mål kan observeres i realtid, som gør det muligt for forskere at få mere præcise data om reaktionshastighederne, hvilket ikke tidligere var muligt. De indhentede data giver information om et lægemiddels effektivitet og dets toksicitet, hvis målene er "sunde" celler eller deres dele, som stoffet, ideelt set, ikke skal påvirke.

De fleste etiketfrie biosensorer er baseret på brugen af ​​overfladeplasmonresonans (SPR) spektroskopi. "Resonans" -parametrene afhænger af overfladeegenskaberne i en sådan grad, at selv spormængder af "fremmede" stoffer kan påvirke dem betydeligt. Biosensorer er i stand til at detektere en billioner gram af et påviseligt stof i et område på en kvadratmillimeter.

Kommercielle enheder af denne type sælges i et format, der ligner forretningsmodellen "barberblad", som inkluderer et instrument og meget dyre forbrugsstoffer. Instrumentet er selve biosensoren, omfattende optik, mikrofluidik og elektronik. Forbrugsstoffer til biosensorer er sensorchips bestående af et glassubstrat, tynd guldfilm og et bindingslag til adsorption af biomolekyler. Sensorchips bruger i øjeblikket to typer af sammenkædningsteknologi, der blev udviklet for mere end 20 år siden og enten er baseret på et lag af selvsamlede thiolmolekyler, eller et lag af hydrogel (normalt carboxymethyldextran). Den fortjeneste, som virksomheder har modtaget ved salg af biosensorer og forbrugsvarer, fordeles jævnt i et forhold på 50:50.

Patentens forfattere, Aleksey Arsenin og Yury Stebunov, foreslår et alternativ til eksisterende sensorchips til biosensorer baseret på overfladeplasmonresonans. Under visse betingelser, anvendelsen af ​​grafen eller grafenoxid som et bindingslag mellem metalfilm og et biologisk lag, der består af molekylmål, er i stand til væsentligt at forbedre følsomheden af ​​biodetektion. Grafensensorchips blev testet på Biacore T200 (General Electric Company) og BiOptix 104sa biosensorer.

Brugen af ​​grafenoxidsensorchips til at analysere DNA -hybridiseringsreaktioner er beskrevet detaljeret i en nylig artikel af forfatterne i American Chemical Society's journal ACS -anvendte materialer og grænseflader . Ud over et højere følsomhedsniveau end lignende kommercielle produkter, de foreslåede sensorchips har den krævede egenskab ved biospecificitet og kan bruges flere gange, hvilket i høj grad reducerer omkostningerne ved at udføre biokemiske undersøgelser ved hjælp af chipsene.

Brugen af ​​grafen øger følsomheden af ​​analyser udført ved hjælp af SPR -spektroskopi mere end ti gange, som vil revolutionere området farmaceutisk biodetektion. Anvendelsen af ​​biosensorer er i øjeblikket begrænset til at analysere biologiske produkter baseret på store molekyler, mens mere end halvdelen af ​​de producerede lægemidler hvert år har en lav molekylvægt (ikke mere end et par hundrede Dalton). Immobilisering af lægemiddelmål på overfladen af ​​en grafenchip vil gøre det muligt for forskere at teste interaktionen mellem mål og små molekyler. Et eksempel på dette kan være udvikling af lægemidler, der virker på receptorer koblet med G-proteiner (GPCR'er), som i øjeblikket er målene for 40% af lægemidlerne på markedet. Farmaceutiske undersøgelser af lægemidler, der virker på GPCR'er, udføres i øjeblikket ikke ved hjælp af SPR på grund af metodens utilstrækkelige følsomhed. Det forventes derfor, at brugen af ​​grafenbiosensorer i farmaceutiske undersøgelser vil bidrage til at fremskynde udviklingen af ​​lægemidler og overvinde farlige sygdomme, der ikke kan behandles med de lægemidler, der i øjeblikket er på farmaceutisk marked.

Forfatterne arbejder fortsat på at forbedre deres udvikling og forventer, at for visse reaktioner, biosensorchips baseret på de nye kulstofmaterialer vil give et følsomhedsniveau, der er snesevis eller hundredvis af gange højere end lignende kommercielle produkter, der i øjeblikket er på markedet. De overvejer også muligheden for at kommercialisere grafenchips. Alene i 2014, cirka 10 milliarder amerikanske dollars blev brugt på prækliniske undersøgelser. Ifølge skøn, det årlige marked for biosensorchips er i alt cirka 300 millioner amerikanske dollars værd. De fremragende egenskaber ved grafenbiosensorchips gør dem i stand til at konkurrere stærkt med eksisterende typer chips - op til en tredjedel af hele markedet.