Grafenark fanger celler effektivt

En enkelt celle kan indeholde et væld af oplysninger om en persons sundhed. Nu, en ny metode udviklet ved MIT og National Chiao Tung University kunne gøre det muligt at fange og analysere individuelle celler fra en lille blodprøve, potentielt fører til meget billige diagnostiske systemer, der kan bruges næsten overalt.

Det nye system, baseret på specialbehandlede ark af grafenoxid, i sidste ende kunne føre til en række forskellige enheder, der kunne produceres for så lidt som $ 5 stykket og udføre en række følsomme diagnostiske tests, selv på steder langt fra typiske medicinske faciliteter.

Materialet, der bruges i denne forskning, er en oxideret version af den todimensionale form af rent kulstof, kendt som grafen, som har været genstand for omfattende forskning i over et årti på grund af dets unikke mekaniske og elektriske egenskaber. Nøglen til den nye proces er opvarmning af grafenoxidet ved relativt milde temperaturer. Denne glødetemperatur ved lav temperatur, som det er kendt, gør det muligt at binde bestemte forbindelser til materialets overflade. Disse forbindelser vælger og bindes igen med specifikke molekyler af interesse, herunder DNA og proteiner, eller endda hele celler. Når det er fanget, disse molekyler eller celler kan derefter underkastes en række tests.

Resultaterne er rapporteret i journalen ACS Nano i et papir medforfatter af Neelkanth Bardhan, en MIT postdoc, og Priyank Kumar PhD '15, nu postdoc ved ETH Zürich; Angela Belcher, James Mason Crafts Professor i biologisk teknik og materialevidenskab og teknik ved MIT og medlem af Koch Institute for Integrative Cancer Research; Jeffrey Grossman, Morton og Claire Goulder og familieprofessor i miljøsystemer ved MIT; Hidde L. Ploegh, professor i biologi og medlem af Whitehead Institute for Biomedical Research; Guan-Yu Chen, en adjunkt i biomedicinsk teknik ved National Chiao Tung University i Taiwan; og Zeyang Li, en doktorand ved Whitehead Institute.

Andre forskere har forsøgt at udvikle diagnostiske systemer ved hjælp af et grafenoxidsubstrat til at fange specifikke celler eller molekyler, men disse fremgangsmåder brugte kun rå, ubehandlet materiale. På trods af et årti med forskning, andre forsøg på at forbedre sådanne enheders effektivitet har været afhængig af eksterne ændringer, såsom overflademønstre gennem litografiske fremstillingsteknikker, eller tilføjelse af mikrofluidiske kanaler, hvilket øger omkostningerne og kompleksiteten. Det nye fund tilbyder en masseproducerbar, billig metode til at opnå sådanne effektivitetsforbedringer.

Opvarmningsprocessen ændrer materialets overfladeegenskaber, får iltatomer til at klynge sig sammen, efterlader mellemrum med blottet grafen mellem dem. Dette gør det relativt let at fastgøre andre kemikalier til overfladen, som kan interagere med bestemte molekyler af interesse. Den nye forskning viser, hvordan denne grundlæggende proces potentielt kunne muliggøre en række billige diagnostiske systemer, for eksempel til kræftscreening eller behandlingsopfølgning.

Til denne proof-of-concept test, teamet brugte molekyler, der hurtigt og effektivt kan fange specifikke immunceller, der er markører for visse kræftformer. De var i stand til at demonstrere, at deres behandlede grafenoxidoverflader var næsten dobbelt så effektive til at fange sådanne celler fra fuldblod, sammenlignet med enheder fremstillet ved hjælp af almindelige, ubehandlet grafenoxid, siger Bardhan, papirets hovedforfatter.

Systemet har også andre fordele, Siger Bardhan. Det giver mulighed for hurtig opsamling og vurdering af celler eller biomolekyler under omgivelsesbetingelser inden for ca. 10 minutter og uden behov for nedkøling af prøver eller inkubatorer til præcis temperaturkontrol. Og hele systemet er kompatibelt med eksisterende store produktionsmetoder, gør det muligt at producere diagnostiske enheder for mindre end $ 5 stk. vurderer holdet. Sådanne enheder kan bruges til point-of-care test eller ressourcebegrænsede indstillinger.

Eksisterende metoder til behandling af grafenoxid for at muliggøre funktionalisering af overfladen kræver behandlinger ved høj temperatur eller brug af hårde kemikalier, men det nye system, som gruppen har patenteret, kræver ingen kemisk forbehandling og en udglødningstemperatur på kun 50 til 80 grader Celsius (122 til 176 F).

Selvom teamets grundlæggende behandlingsmetode kunne muliggøre en lang række applikationer, herunder solceller og lysemitterende enheder til dette arbejde fokuserede forskerne på at forbedre effektiviteten af ​​at fange celler og biomolekyler, der derefter kan underkastes en række tests. De gjorde dette ved enzymatisk at belægge den behandlede grafenoxidoverflade med peptider kaldet nanobistoffer - underenheder af antistoffer, som kan produceres billigt og let i store mængder i bioreaktorer og er yderst selektive for bestemte biomolekyler.

Forskerne fandt ud af, at øget glødetid støt øgede effektiviteten af ​​cellefangst:Efter ni dages glødning, effektiviteten ved at fange celler fra fuldblod gik fra 54 procent, for ubehandlet grafenoxid, til 92 procent for det behandlede materiale.

Teamet udførte derefter molekylære dynamiksimuleringer for at forstå de fundamentale ændringer i reaktiviteten af ​​grafenoxidbasismaterialet. Simuleringsresultaterne, som teamet også bekræftede eksperimentelt, foreslog, at ved udglødning, den relative fraktion af en type ilt (carbonyl) stiger på bekostning af de andre typer iltfunktionelle grupper (epoxy og hydroxyl) som følge af iltklyngen. Denne ændring gør materialet mere reaktivt, hvilket forklarer den højere densitet af cellefangstmidler og øget effektivitet af cellefangst.

"Effektivitet er især vigtig, hvis du prøver at opdage en sjælden hændelse, "Siger Belcher." Målet med dette var at vise en høj effektivitet ved indfangning. "Det næste trin efter dette grundlæggende bevis på koncept, hun siger, er at forsøge at lave en fungerende detektor til en specifik sygdomsmodel.

I princippet, Bardhan siger, mange forskellige tests kunne inkorporeres på en enkelt enhed, som alle kunne placeres på et lille glasglas som dem, der bruges til mikroskopi.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.