Forskere udvikler små dråber, der udnytter laserlys til at opdage sygdomsmarkører

Et team af forskere ledet af Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) har skabt små dråber, der, når de aktiveres af laserlys, kan detektere virale proteinbiomarkører, der indikerer tilstedeværelsen af ​​visse sygdomme.

Disse mikrodråber, der er omkring en tredjedel af diameteren af ​​et hårstrå, kan potentielt rejse i blodbanen for at nå alle dele af den menneskelige krop og detektere partikler, der udskilles af celler, kendt som exosomer, som fungerer som sygdomsbiomarkører.

Nanyang adjunkt Chen Yu-Cheng fra NTU's School of Electrical and Electronic Engineering, der ledede forskerholdet sammen med forskningsstipendiaten Dr. Fang Guocheng, sagde, at mikrodråberne også kunne tilbyde et mere præcist, effektivt alternativ til fotodynamisk terapi, som bruger lysaktiveret lægemiddelbærere til at dræbe unormale celler.

Forskerholdets arbejde blev rapporteret i tidsskriftet Nano Letters i marts 2023.

Sygdomsopdagelse ved at jage efter usunde celler

Forskerholdet brugte en flydende krystal til at skabe mikrodråber, som derefter blev belagt med forskellige antistoffer, der reagerer på forskellige proteiner, der udskilles af vira, og forvandler dem til sygdomsdetektorer.

Mikrodråben fungerer som et brændpunkt for laserlys. Når laseren kommer ind i dråben, forstærkes dens energi og lys, når laseren reflekterer og hopper inde i dråben gentagne gange, før den forlader dråben. Dette skaber et stærkere energisignal, der udsendes fra dråben, hvilket fører til mere nøjagtige, præcise og let detekterbare signaler.

Når en mikrodråbe møder et protein, der reagerer med et af dets vedhæftede antistoffer – hvilket tyder på tilstedeværelsen af ​​sygdom eller infektion – ændres bølgelængden af ​​lyset, der reflekteres ud af mikrodråben.

Ved at måle bølgelængdeforskydningen, når den forlader mikrodråben, har forskere brugt teknologien i laboratorieforsøg til med succes at opdage neurologiske lidelser, genetiske sygdomme og kræftceller.

Asst Prof Chen sagde:"Brug af lasere giver os mulighed for at forstærke subtile biologiske ændringer, da de fungerer godt selv i spredte eller dybe vævsmiljøer. Lasere tilbyder stærk sammenhæng og intensitet og et højt signal-til-støj-forhold, som alle fører til mere præcis detektion."

Forskerne sagde, at mikrodråberne har potentielle anvendelser i lægemiddelscreening. "Vi forestiller os, at den foreslåede undersøgelse kan tjene som et nyttigt værktøj til både grundlæggende biologisk videnskab og applikationer som lægemiddelscreening og organ- eller væv-på-chip-applikationer," sagde professor Chen.

I øjeblikket udføres test for syge celler med konventionelt fluorescerende lys. Brug af en laser giver flere fordele, sagde forskerne. Den største er større præcision i detektion af sygdomme.

"Da bølgelængden af ​​en laserreflekteret stråle optager et smallere bånd end den fluorescens, der bruges i konventionelle test, er resultaterne klarere og mere præcise med mindre støj og usikkerhed," siger Dr. Fang, en præsidentiel postdoc ved NTU's School of Electrical and Electronic Engineering og avisens medkorresponderende forfatter.

"På grund af deres høje følsomhed over for ændringer i det omgivende miljø, er laserpartikler blevet brugt som molekylære sensorer i forskellige applikationer," sagde professor Chen.

Disse tilpassede mikrodråber tilbyder også fleksibilitet i bevægelse og detektion. Ifølge tidligere offentliggjort forskning kan de styres manuelt ved hjælp af magnetiske partikler eller bevæge sig autonomt ved hjælp af lipider og overfladeaktive stoffer, hvilket giver dem mulighed for at sprede sig i en krop. De er også biologisk nedbrydelige og kan sikkert absorberes af kroppen.

"Evnen til at manipulere mikrolasere - lasere på få mikron i størrelse - i biologiske væsker åbner nye muligheder inden for biofotoniske applikationer," sagde professor Chen.

Alternative anvendelser i fotodynamisk terapi

Mikrodråberne kunne anvendes i fotodynamisk terapi, hvor patienter får et lysaktiveret lægemiddel. Disse lægemidler, kaldet fotosensibilisatorer, er designet til kun at blive absorberet af syge eller unormale celler og træder kun i kraft, når de aktiveres af en lyskilde.

Holdets mikrodråber er små nok til at navigere i blodbanen og binder sig også til exosomer. De kunne bruges til at levere disse fotosensibilisatorer til områder, hvor syge celler udskiller exosomer.

Konventionel fotodynamisk terapi bruger et eksternt fluorescerende lys til at aktivere lægemiddelbærere i blodbanen, som skinner lys over et stort overfladeareal af kroppen. Læger kan aktivere stofferne mere præcist og lokalt ved i stedet at bruge en laser som lyskilde, hvilket fører til en bedre målrettet effektivitet.

Forskerholdet arbejder i øjeblikket på at udvikle en integreret biochip, som potentielt kan kommercialiseres til brug i lægemiddelscreening og bioassays på en enkelt chip.

Flere oplysninger: Ziyihui Wang et al., Autonome mikrolasere til profilering af ekstracellulære vesikler fra kræftsfæroider, nanobogstaver (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.2c04123

Ziyihui Wang et al., Motorlignende mikrolasere, der fungerer i biologiske væsker, Lab on a Chip (2022). DOI:10.1039/D2LC00513A

Journaloplysninger: Lab on a Chip , Nanobreve

Leveret af Nanyang Technological University