Opdagelse af enkelte molekyler og diagnosticering af sygdomme med en smartphone

Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) i München forskere viser, at lyset udsendt af et enkelt molekyle kan detekteres med en billig optisk opsætning. Deres prototype kunne lette medicinsk diagnostik.

Biomarkører spiller en central rolle i diagnosticering af sygdom og vurdering af dens forløb. Blandt de markører, der nu er i brug, er gener, proteiner, hormoner, lipider og andre klasser af molekyler. Biomarkører kan findes i blodet, i cerebrospinalvæske, urin og forskellige typer væv, men de fleste af dem har én ting til fælles:De forekommer i ekstremt lave koncentrationer, og er derfor teknisk udfordrende at opdage og kvantificere.

Mange detektionsprocedurer bruger molekylære prober, såsom antistoffer eller korte nukleinsyresekvenser, som er designet til at binde til specifikke biomarkører. Når en sonde genkender og binder sig til sit mål, kemiske eller fysiske reaktioner giver anledning til fluorescenssignaler. Sådanne metoder fungerer godt, forudsat at de er følsomme nok til at genkende den relevante biomarkør hos en høj procentdel af alle patienter, der bærer den i blodet. Ud over, før sådanne fluorescensbaserede tests kan anvendes i praksis, selve biomarkørerne eller deres signaler skal forstærkes. Det ultimative mål er at gøre det muligt at udføre medicinsk screening direkte på patienter, uden at skulle sende prøverne til et fjerntliggende laboratorium til analyse.

Molekylære antenner forstærker fluorescenssignaler

Philip Tinnefeld, som har en lærestol i fysisk kemi ved LMU, har udviklet en strategi til bestemmelse af niveauer af biomarkører til stede i lave koncentrationer. Det er lykkedes ham at koble DNA-sonder til bittesmå partikler af guld eller sølv. Par af partikler ('dimerer') fungerer som nano-antenner, der forstærker fluorescenssignalerne. Tricket virker som følger:Interaktioner mellem nanopartikler og indkommende lysbølger intensiverer de lokale elektromagnetiske felter, og dette fører igen til en massiv stigning i amplituden af ​​fluorescensen. På denne måde bakterier, der indeholder antibiotikaresistensgener og endda vira, kan specifikt påvises.

"DNA-baserede nano-antenner er blevet undersøgt i de sidste par år, " siger Kateryna Trofymchuk, fælles førsteforfatter til undersøgelsen. "Men fremstillingen af ​​disse nanostrukturer giver udfordringer." Det er nu lykkedes Philip Tinnefelds forskergruppe at konfigurere komponenterne i deres nano-antenner mere præcist, og ved positionering af DNA-molekylerne, der tjener som indfangningsprober på stedet for signalamplifikation. Sammen, disse modifikationer gør det muligt at amplificere fluorescenssignalet mere effektivt. Desuden, i det involverede minimale volumen, som er i størrelsesordenen zeptoliter (en zeptoliter er lig med 10-21 af en liter), endnu flere molekyler kan fanges.

Den høje grad af positioneringskontrol er muliggjort af DNA-nanoteknologi, som udnytter DNA'ets strukturelle egenskaber til at guide samlingen af ​​alle mulige objekter i nanoskala - i ekstremt stort antal. "I en prøve, vi kan samtidig producere milliarder af disse nano-antenner, ved at bruge en procedure, der grundlæggende består i at pipettere nogle få opløsninger sammen, " siger Trofymchuk.

Rutinemæssig diagnostik på smartphonen

"I fremtiden, " siger Viktorija Glembockyte, også medførsteforfatter til publikationen, "vores teknologi kan bruges til diagnostiske tests selv i områder, hvor adgangen til elektricitet eller laboratorieudstyr er begrænset. Vi har vist, at vi direkte kan detektere små fragmenter af DNA i blodserum, ved hjælp af en bærbar, smartphone-baseret mikroskop, der kører på en konventionel USB-strømforsyning til at overvåge analysen." Nyere smartphones er normalt udstyret med ret gode kameraer. Bortset fra det, alt, der skal til, er en laser og en linse – to let tilgængelige og billige komponenter. LMU-forskerne brugte denne grundlæggende opskrift til at konstruere deres prototyper.

De fortsatte med at demonstrere, at DNA-fragmenter, der er specifikke for antibiotikaresistensgener i bakterier, kunne påvises med denne opsætning. Men analysen kunne let modificeres til at detektere en lang række interessante måltyper, såsom vira. Tinnefeld er optimistisk:"Det seneste år har vist, at der altid er behov for nye og innovative diagnostiske metoder, og måske kan vores teknologi en dag bidrage til udviklingen af ​​en billig og pålidelig diagnostisk test, der kan udføres derhjemme."