Detektering af dopamin i femtomolære koncentrationer

En gruppe af maskiningeniørforskere fra Carnegie Mellon University har skubbet grænserne for diagnostisk test til et niveau, der aldrig før er set.

Forskerne, ledet af Rahul Panat, en lektor i maskinteknik, har udviklet et sensorsystem, der med succes var i stand til at detektere niveauer af neurotransmitteren dopamin ned til femtomolære koncentrationer. De har offentliggjort deres resultater i Nature Communications .

For at sætte det i perspektiv, forestil dig at hælde mindre end et gram dopamin i Oregons Crater Lake, den dybeste sø i USA. Denne sensor kunne registrere det.

"Vi har brudt en grundlæggende barriere for detektionsgrænsen for biomolekyler," forklarede Azahar Ali, hovedforfatteren af ​​papiret. Med andre ord er dette den mindste koncentration af dopamin, der nogensinde er blevet påvist pålideligt.

Dette utrolige gennembrud blev opnået ved at udnytte kraften fra additiv fremstilling og nanoteknologi til at skabe et utroligt følsomt detektionssystem, bestående af en tredimensionel elektrode placeret i en mikrofluidisk kanal, hvor prøver pumpes igennem.

Tidligere elektroder bestod af en todimensionel detektionsoverflade, som ikke var i stand til at detektere stadigt mindre koncentrationer af målmolekyler, da de fleste af dem ville flyde forbi uden at interagere. For at skubbe denne grænse, ville elektrodens detektionsområde skulle bevæge sig ind i den tredje dimension for at hjælpe med at "fange" molekylerne, når de bevæger sig gennem det.

For at opnå dette brugte holdet en teknik kendt som aerosol jet 3D nanopartikeludskrivning, hvilket giver dem mulighed for at bygge små mikrosøjler ved hjælp af sølv nanopartikler. Hver dråbe blev tilføjet oven på den foregående og sintret sammen, indtil en hul søjle blev dannet. Derefter blev de dækket med små flager af grafenoxid, som yderligere øgede søjlens overfladeareal og hjalp med at detektere dopamin.

Men hvorfor dopamin? Det er et vigtigt signalmolekyle i hjernen og kroppen, der almindeligvis er forbundet med at kontrollere dit humør. Men det spiller også en rolle i flere neurodegenerative sygdomme, herunder skizofreni, Alzheimers og afhængighed. Det kan findes i blodet, men i meget lave niveauer.

Denne enheds høje følsomhed kan gøre det muligt for en læge at tage en lille dråbe blod og teste for dopamins tilstedeværelse, hvilket skaber en minimalt invasiv diagnostisk metode. Dette kunne give mulighed for tidligere, lettere test for disse lidelser, som potentielt kunne redde liv. Panat mener, at fremskridt som dette er langt forsinket.

"Jeg tror, ​​at den biomedicinske enhedsindustri er kommet bagud med at indhente fremskridtene inden for miniaturisering og fremskridt inden for mikroelektronik. Og det kan vi i den akademiske verden være med til at ændre," siger han.

Sidste år brugte hans team et lignende mikrosøjlesystem til at udvikle en hurtig Covid-19 antistoftest. Enhedens relative enkelhed betyder dog, at den kan tilpasses til at detektere en lang række forskellige molekyler, lige fra antistoffer til neurotransmittere til mange ting derimellem.

De fremtidige retninger for dette system er næsten uendelige. Flere elektroder kan placeres i en enhed for at skabe et multiplekssystem, der er i stand til at detektere flere forskellige biomarkører på én gang. Eller det kunne integreres i en ny form for bærbar teknologi, der er i stand til at detektere elektrolytniveauer.

Uanset hvor vi ser denne teknologi implementeret, blev den dog gjort mulig ved at bruge tekniske værktøjer og strategier til at løse et eksisterende problem fra en anden disciplin. Resultatet er en innovativ løsning, der vil være med til at definere fremtiden for medicin. + Udforsk yderligere

Detektering af COVID-19-antistoffer på 10 sekunder