Forskere udvikler en ny elektrokemisk kemosensor til hurtig og effektiv diagnosticering af en dødelig lungesygdom

Patienter, der kæmper med nogle kroniske sygdomme, må ofte vente i årevis på en korrekt diagnose. For eksempel kan symptomer som åndenød tilskrives mange lunge- såvel som kardiovaskulære lidelser, så patienter kan blive behandlet for en fejldiagnosticeret sygdom, der er langt fra præcis diagnose og behandling.

Derfor er en af ​​de mest lovende metoder til at håndtere dette problem at spore niveauerne af specifikke forbindelser i kroppen under udviklingen af ​​en specifik sygdom. I denne retning præsenterede forskere ved Institut for Fysisk Kemi ved Det Polske Videnskabsakademi (Warszawa, Polen) og det nationale Kaohsiung Universitet i Kaohsiung (Kaohsiung, Taiwan) deres forskning om udvikling af en metode til hurtig og effektiv diagnosticering af en dødelig lungesygdom.

Idiopatisk lungefibrose (IPF) er en kronisk sygdom, der forårsager lungefibrose med fatale resultater, hvilket fører til kvælning. Dens mest almindelige symptomer er tør hoste og åndenød, som kan være forbundet med flere lidelser. Så det kan ofte fejldiagnosticeres som mange forskellige sygdomme, hvilket gør nøjagtig diagnose lang og besværlig, hvilket dramatisk påvirker en patients livskvalitet.

Desuden kan symptomer forsinkes, indtil det er for sent at behandle patienten med succes. IPF-udvikling er stadig et medicinsk mysterium. Derfor er der et enormt behov for tidlig diagnose af IPF. Elektrokemisk påvisning af IPF-biomarkører er en af ​​løsningerne. Biomarkører er specifikke forbindelser, f.eks. proteiner, nukleinsyrer eller andre forbindelser, der produceres unormalt af kroppen under sygdomsudvikling. For IPF kan der skelnes mellem flere biomarkører.

En af dem er matrix metalloproteinase-1 (MMP-1), som nedbryder fibrillære kollagener i luftvejene. På trods af MMP-1's velkendte kemiske egenskaber er hurtig overvågning af denne biomarkør i kropsvæsker som en del af IPF-progression nu langt fra en drømmediagnose.

For nylig målrettede forskere fra Institut for Fysisk Kemi ved Det Polske Videnskabsakademi (IPC PAS) i Warszawa (Polen), i samarbejde med forskere fra Institut for Kemi- og Materialeteknik ved National Kaohsiung University i Kaohsiung (Taiwan), hurtigt- spor IPF og hurtig diagnostik ved at udtænke en ny elektrokemisk kemosensor til selektiv, hurtig og effektiv bestemmelse af IPF-biomarkøren, især MMP-1.

For at forberede denne kemosensor stolede forskerne på molekylær prægning i polymerer, en teknik baseret på blanding af en funktionel monomer, et tværbindingsmiddel og en skabelon, efterfulgt af generering af en polymermatrix, der danner (skabelonmolekyle)-formede molekylære hulrum, der matcher hinanden. en molekylær nøgle, der passer ind i polymerlåsen.

Specifikt modificerede de den gennemsigtige elektrode (et objektglas belagt med det ledende indium-tinoxid kaldet ITO) med en molekylært præget polymer (MIP), poly(TPARA-co-EDOT), lavet af to monomerer, EDOT og TPARA. Derudover dopet med en MoS₂ -2D flakemateriale, MIP var skabelonet med peptidepitopen af ​​MMP-1 protein biomarkøren.

Derefter blev denne skabelon fjernet fra MIP'en, hvilket efterlod molekylære hulrum med en form og størrelse, der er karakteristisk for peptidepitopmolekylerne anvendt til prægning. Da hulrummene matcher disse karakteristiske peptidmolekyler, kan MIP let bruges til at bestemme det matchende molekyle. Spændende, doping af MIP med MoS₂ forbedrede MMP-1-detektionsgrænsen betydeligt sammenlignet med den udoterede MIP.

Dr. Piyush S. Sharma hævder:"Inkorporering af nye materialer i elektrokemiske kemosensorer kan forbedre deres ydeevne og hjælpe med at belyse deres sansemekanisme. I vores forskning blev (peptidepitop)-templateret MIP dopet med MoS₂ flager med en gennemsnitlig størrelse på 0,6-1,5 μm under dens aflejring som en tynd film på en ITO-elektrode. I det væsentlige fordoblede denne doping den elektrokemiske respons (over baggrunden) på mål-MMP-1-proteinbiomarkøren."

MMP-1 makromolekylet har adskillige peptider placeret ved dets kanter, de såkaldte epitoper, genkendt af immunsystemet. Disse epitoper kan med succes anvendes som aftryk i elektrokemiske MIP-kemosensorer. Da proteinprægning ikke ville resultere i deres succesfulde bestemmelse, hvilket fører til store hulrum, der passer til mange mindre molekyleforbindelser, var de prægede molekyler af peptidepitop, meget mindre end proteiner.

Desuden er peptider, ud over deres mindre størrelse, mere stabile end proteiner under eksperimentelle forhold, herunder brug af et organisk opløsningsmiddel, når der dannes en polymerfilm på elektrodeoverfladen. Det er værd at nævne, at brug af MoS₂ flager muliggør påvisning af MMP-1-biomarkøren og dermed idiopatisk lungefibrose.

"MoS₂ -dopet pAIPs film-coated elektrode ydeevne er sammenlignelig med den nyere litteratur. Endelig blev elektroden brugt til at bestemme MMP-1 i dyrkningsmediet af genredigerede HEK293T-celler, og sammenlignet med en kommerciel ELISA-analyse var dens nøjagtighed høj," bemærker prof. Włodzimierz Kutner.

Denne forskning, detaljeret i ACS Applied Nano Materials , lover at overvåge udviklingen af ​​kroniske og progressive sygdomme af ukendt ætiologi og patogenese, herunder idiopatisk lungefibrose.

Der er stadig plads til at teste detektion under forstyrrende forhold, men forhåbentlig vil molekylær prægning i polymerer få mere opmærksomhed og anvendelse i biomedicin, hvilket bringer samfundet tættere på hurtig og præcis diagnosticering af mange udfordrende sygdomme. Forskerne håber, at deres gennemprøvede koncept med en molekylært præget elektrokemisk kemosensor også kan tilpasses til andre sygdomme og personlig medicin.

Flere oplysninger: Mei-Hwa Lee et al., MoS₂ Nanosheet-dopet peptid-prægede polymer-coatede elektroder til elektrokemisk bestemmelse af CRISPR/dCas9-aktiveret proteinekspression, ACS-anvendte nanomaterialer (2023). DOI:10.1021/acsanm.3c04130

Leveret af det polske videnskabsakademi