Forskere gør biosensor en million gange mere følsom

Fysikere og ingeniører ved Case Western Reserve University har udviklet en optisk sensor, baseret på nanostrukturerede metamaterialer, det er 1 million gange mere følsomt end det nuværende bedst tilgængelige - et i stand til at identificere et enkelt letvægtsmolekyle i en meget fortyndet opløsning.

Deres mål:at give onkologer en måde at opdage et enkelt molekyle af et enzym produceret af cirkulerende kræftceller. Sådan opdagelse kan give læger mulighed for at diagnosticere patienter med visse kræftformer langt tidligere end muligt i dag, overvåge behandling og resistens med mere.

"Prognosen for mange kræftformer afhænger af kræftstadiet ved diagnosen," sagde Giuseppe "Pino" Strangi, professor i fysik ved Case Western Reserve og leder af forskningen.

"Meget tidligt, de fleste cirkulerende tumorceller udtrykker proteiner med en meget lav molekylvægt, mindre end 500 Dalton, "Forklarer Strangi." Disse proteiner er normalt for små og i en for lav koncentration til at detektere med nuværende testmetoder, giver falsk negative resultater.

"Med denne platform, vi har opdaget proteiner på 244 Dalton, hvilket skulle gøre læger i stand til at opdage kræft tidligere - vi ved ikke, hvor meget tidligere endnu, "sagde han." Denne biosensingsplatform kan hjælpe med at låse op for den næste æra med indledende kræftopdagelse. "

Forskerne mener, at sensorteknologien også vil være nyttig til at diagnosticere og overvåge andre sygdomme.

Deres forskning offentliggøres online i tidsskriftet Naturmaterialer . Det var et fantastisk teamwork, Sagde Strangi. Han arbejdede med postdoktorale forskere Kandammathee Valiyaveedu Sreekanth og Efe Ilker, Ph.d. -studerende Yunus Alapan og Mohamed ElKabbash, Lektor i fysik Michael Hinczewski, Lektor i luftfart og maskinteknik Umut Gurkan (co-PI) og Antonio De Luca, som var gæsteforsker i Strangis laboratorium under denne undersøgelse og nu er lektor i fysik ved University of Calabria i Italien.

Videnskaben

Nanosensoren, som passer i håndfladen, fungerer som en biologisk sigte, isolering af et lille proteinmolekyle, der vejer mindre end 800 quadrillionths af et nanogram fra en ekstremt fortyndet opløsning.

For at gøre enheden så følsom, Strangis team stod over for to mangeårige barrierer:Lysbølger kan ikke registrere objekter, der er mindre end deres egne fysiske dimensioner, som spænder ned til omkring en halv mikron. Og molekyler i fortyndede opløsninger flyder i brunsk bevægelse og lander usandsynligt på sensorens overflade.

Ved at udnytte nanoteknologiske værktøjer og ved at koble en mikrofluid kanal med et konstrueret materiale kaldet et metamateriale, videnskabsmanden overvandt grænserne.

Den mikrofluidiske kanal begrænser molekylernes evne til at flyde rundt og driver dem til sanseområdet på overfladen af ​​metamaterialet.

Metamaterialet er fremstillet af i alt 16 nanostrukturerede lag af reflekterende og ledende guld og gennemsigtigt aluminiumoxid, et dielektrikum, hver 10'er af atomer tykke. Lys, der rettes mod og gennem lagene, koncentreres til et meget lille volumen, der er meget mindre end lysets bølgelængde.

Det øverste guldlag er perforeret med huller, skaber et gitter, der diffunderer lys, skinnede på overfladen i to dimensioner.

Det indgående lys, som er flere hundrede nanometer i bølgelængde, synes at være begrænset og koncentreret i et par nanometer ved grænsefladen mellem guldet og det dielektriske lag.

Når lyset rammer sansningsområdet, det ophidser frie elektroner, der får dem til at svinge og generere en meget begrænset formerende overfladebølge, kaldet en overfladeplasmon polariton. Denne forplantende overfladebølge vil igen ophidse en bulkbølge, der formerer sig på tværs af registreringsplatformen. Tilstedeværelsen af ​​bølgerne forårsager dybe skarpe fald i spektret af reflekterende lys.

Kombinationen og samspillet mellem overfladeplasmon og bulkplasmonbølger er det, der gør sensoren så følsom. Sagde Strangi. Ved at spændende disse bølger gennem metamaterialets otte dobbeltlag, de skaber bemærkelsesværdigt skarpe resonansformer.

Ekstremt skarpe og følsomme resonanser kan bruges til at registrere mindre objekter.

"Det er ekstremt følsomt, "Sagde Strangi." Når et lille molekyle lander på overfladen, det resulterer i en stor lokal ændring, får lyset til at skifte. "

Potentialet

Afhængigt af molekylets størrelse, det reflekterende lys forskyder forskellige mængder. Forskerne håber at lære at identificere specifikke molekyler, begyndende med biomarkører for forskellige kræftformer, ved deres lysskift.

For at tilføje sensoren specificitet, holdet tilføjede et lag fældemolekyler, som er molekyler, der specifikt binder sig til de molekyler, de jager.

I test, forskerne brugte fældemolekyler til at fange to forskellige biomolekyler:bovint serumalbumin, med en molekylvægt på 66, 430 Daltons, og biotin, med en molekylvægt på 244 Dalton. Hver producerede et signaturlysskifte.

Andre forskere har rapporteret at bruge plasmonbaserede biosensorer til at påvise biotin i opløsninger i koncentrationer fra mere end 100 mikromol pr. Liter til 10 mikromol pr. Liter. Denne enhed viste sig at være 1 million gange mere følsom, at finde og identificere biotin i en koncentration på 10 picomol pr. liter.

Test og implikationer

I Cleveland, Strangi og Nima Sharifi, MD, medleder for Genitourinary Cancer Program for Case Comprehensive Cancer Center, er begyndt at teste sensoren med proteiner relateret til prostatakræft.

"For nogle kræftformer, såsom kolorektal og bugspytkirtelkræft, tidlig opsporing er afgørende, "sagde Sharifi, som også er Kendrick Family Chair for Prostate Cancer Research på Cleveland Clinic. "Højfølsomhedsdetektion af kræftspecifikke proteiner i blod bør muliggøre påvisning af tumorer, når de er på et tidligere sygdomsstadium.

"Denne nye sanseteknologi kan hjælpe os med ikke kun at opdage kræft, men hvilken delmængde af kræft, hvad der driver dens vækst og spredning, og hvad den er følsom over for, "sagde han." Sensoren, for eksempel, kan hjælpe os med at bestemme markører for aggressiv prostatakræft, som kræver behandling, eller sløve former, der ikke gør det. "

Strangis laboratorium arbejder sammen med andre onkologer verden over for at teste enheden og begynde at flytte sensoren mod klinisk brug.

"Vi betragter dette som kun begyndelsen på vores forskning, " han sagde.