En ny tilgang til hurtig og omkostningseffektiv påvisning af patogener

Evnen til at opdage sygdomme på et tidligt tidspunkt eller endda forudsige deres begyndelse ville være til stor gavn for både læger og patienter. Et forskerhold ledet af Dr. Larysa Baraban ved Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) udvikler intelligente, miniaturiserede biosensorenheder og systemer, der bruger nanomaterialer til at bestemme biomolekyler og celler såvel som biokemiske reaktioner eller processer som sygdomsmarkører.

Holdets aktuelle publikation i Biosensors and Bioelectronics beskriver udviklingen af ​​et bærbart testsystem i håndfladestørrelse, der samtidigt kan udføre op til 32 analyser af én prøve.

Der findes forskellige muligheder og mekanismer til at påvise patogener i kropsvæsker. En mulighed, som Baraban undersøger ved HZDR-Institute of Radiopharmaceutical Cancer Research, er detektion ved hjælp af felteffekttransistorer (FET'er) fra elektronikkens verden.

Driftsprincippet er enkelt:en defineret elektrisk strøm løber fra A til B. Denne strøm kan reguleres af det elektriske potentiale på overfladen af ​​en port, der fungerer som en præcis, kontinuerlig ventil.

Sygdomsrelevante biomolekyler binder sig til gateoverfladen og ændrer derved det elektriske potentiale og derfor også strømmen. Hvis der ikke er nogen væsentlig ændring i strømmen, har ingen biomolekyler bundet sig til sensoroverfladen. På den anden side betyder en ændring i strømmen, at sygdomsrelaterede molekyler kan detekteres på sensoroverfladen.

Disse biosensorer kan designes til specifikt at detektere forskellige biomolekyler. Forskellige patogener forårsager forskellige elektriske potentialer og derfor forskellige strømme. Kræftceller forårsager andre strømme end for eksempel en influenzavirus.

Udvikling af genanvendelige transistorer

Den største ulempe ved traditionelle elektroniske FET-baserede biosensorer er, at testoverfladerne ikke kan genbruges, og hele transistoren skal kasseres efter hver prøvetagning. Da transistorer indeholder dyre halvledermaterialer, er denne proces både dyr og skadelig for miljøet.

Af den grund gik Baraban og hendes afdeling for nano-mikrosystemer for biovidenskab et skridt videre og forsøgte at måle de potentielle ændringer ikke direkte på transistorens overflade, men på en separat elektrode, der er forbundet til transistorens gate. "Dette giver os mulighed for at bruge transistoren flere gange. Vi adskiller porten og omtaler den som en "udvidet port" - det vil sige en udvidelse af testsystemet."

Men det er ikke alt. Holdet tænkte endnu længere frem og tog endnu en udfordring. "Vi vil selvfølgelig gerne have, at dette system udfører flere analyser på samme tid." Det lykkedes forskerne at udvikle udvidede porte med 32 testpuder. Baraban forklarer:"Dette betyder, at en prøve kan testes samtidigt på hver af puderne for et andet patogen."

Forskerne demonstrerede først driftsprincippet ved hjælp af interleukin-6 (IL-6), et molekyle, der er ansvarlig for kommunikation mellem immunceller. "Uanset om det er en simpel forkølelse eller kræft, ændres koncentrationen af ​​IL-6. Forskellige sygdomme såvel som forskellige stadier af en sygdom giver forskellige kliniske billeder. Derfor er IL-6 meget velegnet som markør."

Nanopartikler for at øge følsomheden

For at gøre metoden endnu mere følsom brugte Barabans team også nanostrukturer. Nanopartikler koncentrerer eller lokaliserer ladningen for at forstærke spændingssignalet.

"Følsomheden af ​​testene er betydeligt højere, end når vi arbejder uden nanopartikler." Da færdiglavede nanopartikelsæt til forskning nu er tilgængelige på markedet, er denne metode enkel at bruge. HZDR-forskerne arbejder i øjeblikket med guldnanopartikler. I fremtiden vil de også gerne studere andre nanopartikler.

Som et resultat af den nuværende forskning er der skabt et funktionelt, praktisk testsystem, bestående af en transistor og 32 testpuder, med hvilke forskellige patogener kan påvises på meget kort tid.

I fremtiden vil det beskrevne testsystem eksempelvis kunne bruges til at overvåge fremskridt i immunterapier hos cancerpatienter. En anden mulighed ville være at forudsige sværhedsgraden og forløbet af en virussygdom som f.eks. influenza eller COVID-19 lige fra starten.

I sammenligning med eksisterende teknologier er det nye system mere omkostningseffektivt og hurtigere. Af den grund håber Baraban og hendes team nu på interesse fra den kommercielle sektor.

Flere oplysninger: Željko Janićijević et al, Metoder guldstandard i klinik millifluidics multiplexed extended gate field-effect transistor biosensor med guld nanoantenner som signalforstærkere, Biosensors and Bioelectronics (2023). DOI:10.1016/j.bios.2023.115701

Journaloplysninger: Biosensorer og bioelektronik

Leveret af Helmholtz Association of German Research Centres