Flytte diagnostik ud af laboratoriet og ind i din hånd

Håndholdte elektrokemiske sensorer er en del af den daglige rutine for millioner af mennesker med diabetes rundt om i verden, som overvåger deres blodsukkerniveauer med elektriske glukometre. Mens sådanne sensorer har revolutioneret hjemmemedicinsk test for diabetikere, de er endnu ikke blevet anvendt med succes til at diagnosticere andre tilstande. Sensorer som glukometre registrerer glukose i blodet baseret på aktiviteten af ​​et enzym, og der er kun et begrænset antal enzymer, der kan bruges til at fornemme biomarkører for menneskelig sygdom. En alternativ detektionsstrategi baseret på bindingshændelser mellem antistoffer og deres molekylære mål er blevet undersøgt for at udvide brugen af ​​elektrokemiske sensorer til medicin, men disse sensorer bliver ofre for den hurtige ophobning af "begroende" stoffer fra biologiske væsker på deres ledende overflader, som deaktiverer dem. Eksisterende antifouling-belægninger er vanskelige at massefremstille, lider af kvalitets- og konsistensproblemer, og er ikke særlig effektive.

Nu, en ny diagnostisk platformsteknologi udviklet af forskere ved Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering ved Harvard University kendt som "eRapid" muliggør skabelsen af ​​lave omkostninger, håndholdte elektrokemiske enheder, der samtidigt kan detektere en bred vifte af biomarkører med høj følsomhed og selektivitet i komplekse biologiske væsker, bruger så lidt som en enkelt dråbe blod. Teknologien er beskrevet i det nyeste nummer af Natur nanoteknologi .

"Så længe der eksisterer et antistof for et givet målmolekyle, eRapid kan registrere det, " sagde medforfatter Pawan Jolly, Ph.D., seniorforsker ved Wyss Institute. "Ved at løse problemet med biobegroning med et enkelt, men robust design, vi er nu i stand til nemt at masseproducere biokemiske sensorer til en bred vifte af applikationer til lave omkostninger."

Udfordringen med at udvikle antifouling-belægningen var at forhindre ophobning af stoffer uden for mål på sensorens metalelektroder, mens de stadig bevarede deres ledningsevne for at tillade sansning af målet. Efter at have eksperimenteret med en række forskellige opskrifter, forskerholdet udviklede en enkel, porøs, 3-D matrix bestående af bovint serumalbumin (BSA) tværbundet med glutaraldehyd og understøttet af et netværk af ledende nanomaterialer, såsom guld nanotråde eller kulstof nanorør. Den lille porestørrelse af BSA-matrixstørrelsen udelukker proteiner fundet i blod og plasma, og BSA's svage negative ladning forhindrer den stærke adhæsion af positivt ladede biomolekyler på sensoren.

Da forskerne testede deres nanomateriale-coatede sensorer i humant blodserum og plasma, de beholdt mere end 90 % af deres evne til at detektere signal, selv efter at have været opbevaret i en måned i disse biovæsker, der henviser til, at sensorer belagt med de bedste tidligere offentliggjorte antifouling-belægninger mistede betydelig signalfølsomhed, når de blev inkuberet i en time, og blev fuldstændig inaktiveret efter en dag.

For at funktionalisere de coatede sensorer, forskerne vedhæftede antistoffer til overfladen af ​​nanomaterialets belægning på toppen af ​​elektroden, og brugte et "sandwich-assay" til at konvertere antistofbindingshændelsen til et kemisk signal, der udfældes på elektrodeoverfladen, derved generere et elektrisk signal. Størrelsen af ​​det elektriske signal korrelerer direkte med mængden af ​​det dannede bundfald, og dermed til antallet af målmolekyler bundet til antistofferne, gør det muligt at måle koncentrationen af ​​målet.

Holdet demonstrerede den kommercielle nytte af denne tilgang ved at skabe en multiplekset sensor med tre separate elektroder, hver belagt med BSA/guld nanotrådmatrix og et lag af antistoffer mod et specifikt klinisk relevant målmolekyle:interleukin 6 (IL6), insulin, eller glukagon. Da de inkuberede sensoren med de respektive målmolekyler i ufortyndet humant plasma, de observerede fremragende elektriske signaler med picogram-per-ml følsomhed. Omvendt elektroder belagt med en offentliggjort "PEG-SAM" antibegroningsbelægning kunne ikke producere tydelige signaler, hvilket indikerer, at de var blevet irreversibelt tilsmudset af molekyler uden for mål i humane plasmaprøver. Ud over, BSA/guld-nanowire-coatede sensorer kan vaskes og genbruges flere gange med minimalt signaltab, tillader seriel overvågning af biomarkører nemt og til lave omkostninger.

Siden da, Wyss-teamet har været i stand til at detektere mere end et dusin forskellige biomarkører fra 100 Da til 150, 000 Da i størrelse med eRapid, og de fortsætter med at eksperimentere med ledende nanomaterialer for at optimere elektrodebelægningen og systemets ydeevne, samt reducere omkostningerne yderligere. De udforsker aktivt kommercialiseringsmuligheder for eRapid i det håndholdte point-of-care diagnostikrum, men håber også at udvide coating- og sensorteknologiplatformen til andre mål og sammenhænge, herunder hospitalsdiagnostik, miljøtoksin sensing, påvisning af små molekyler, og implanterbart medicinsk udstyr.

Interessant nok, holdet - ledet af Wyss Institutes stiftende direktør Donald Ingber, M.D., Ph.D. - ikke oprindeligt satte ud med dette mål for øje. Dette arbejde begyndte, fordi de var nødt til samtidigt at opdage flere biomolekyler produceret af forskellige typer vævsceller, der vokser i menneskelige Organs-on-Chips for ikke-invasivt at vurdere deres funktion og inflammatoriske status over tid. Den lille mængde væske, der strømmer ud fra chipsens kanaler, nødvendiggjorde meget følsomme sensorer, der også kunne multiplekses, hvilket førte til skabelsen af ​​den nuværende teknologi.

"eRapid opstod fra at forfølge én innovation, der førte til en anden, der har potentialet til at transformere medicinsk diagnostik. Forhåbentlig, denne enkle teknologi vil muliggøre store fremskridt i vores evne til at udvikle håndholdte diagnostiske enheder, der kan bruges derhjemme, såvel som på apoteker, ambulancer, lægekontorer, og akutmodtagelser i den nærmeste fremtid, " sagde Ingber, som også er Judah Folkman-professor i vaskulær biologi ved Harvard Medical School og Vascular Biology Program på Boston Children's Hospital, og professor i bioingeniør ved Harvards John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.