En ny biosensor til påvisning af neurogenerative sygdomsproteiner

Ved at kombinere flere avancerede teknologier i et enkelt system har EPFL-forskere taget et væsentligt skridt fremad med at diagnosticere neurodegenerative sygdomme (NDD'er) såsom Parkinsons sygdom (PD) og Alzheimers sygdom (AD).

Denne nye enhed er kendt som ImmunoSEIRA-sensoren, en biosensing-teknologi, der muliggør påvisning og identifikation af fejlfoldede proteinbiomarkører forbundet med NDD'er. Forskningen, offentliggjort i Science Advances , udnytter også kraften i kunstig intelligens (AI) ved at anvende neurale netværk til at kvantificere sygdomsstadier og progression.

Dette betydelige teknologiske fremskridt lover ikke kun tidlig påvisning og overvågning af NDD'er, men også for vurdering af behandlingsmuligheder på forskellige stadier af sygdommens progression.

Behandling af neurodegenerative sygdomme står over for en betydelig udfordring på grund af manglen på effektive diagnostiske metoder til tidlig påvisning og overvågning af sygdomsprogression. Proteinfejlfoldning, en almindelig mekanisme i neurodegeneration, er blevet identificeret som en nøglebegivenhed i sygdomsprogression.

Det er en hypotese, at sunde proteiner fejlfolder først til oligomerer i tidlige stadier og til fibriller i senere stadier af sygdommen. Disse fejlfoldede proteinaggregater cirkulerer i hjernen og biovæsker og akkumuleres også som aflejringer i hjernen på afdøde NDD-ramte. Men udviklingen af ​​værktøjer til at opdage disse afslørende tegn på sygdom - kendt som biomarkører - har indtil nu været uhåndgribelig. Forhindringerne for nøjagtig detektion er flere, inklusive grænserne for den nuværende teknologi til nøjagtigt at adskille og kvantificere forskellige proteinaggregater.

Kombinering af flere avancerede teknologier i én sensor

For at skabe denne avancerede NDD-biomarkørsensor har forskere ved Professor Hatice Altug's Bionanophotonic Systems Laboratory (BIOS) og Professor Hilal Lashuels Laboratory of Molecular Neurobiology and Neuroproteomics (LMNN) kombineret flere videnskabsområder:proteinbiokemi, optofluidik, nanoofficiel intelligence (og kunst). AI).

"I modsætning til nuværende biokemiske tilgange, som er afhængige af måling af niveauerne af disse molekyler, er vores tilgang fokuseret på at opdage deres unormale strukturer. Denne teknologi giver os også mulighed for at differentiere niveauerne af de to vigtigste unormale former, der er involveret i udviklingen og progressionen af ​​NDD'er, oligomerer. og fibriller," siger Lashuel

ImmunoSEIRA-sensoren anvender en teknologi kaldet SEIRA-spektroskopi (overfladeforstærket infrarød absorption). Denne metode gør det muligt for forskere at opdage og analysere former for specifikke sygdomsassocierede molekyler, kendt som biomarkører, forbundet med neurodegenerative sygdomme. Sensoren er udstyret med et unikt immunassay, der fungerer som en molekylær detektiv, der identificerer og fanger disse biomarkører med høj præcision.

"I vores papir præsenterer vi en teknologisk løsning, der integrerer nanoplasmonik, renrums nanofabrikation, mikrofluidik, immunoassay, AI og avancerede biokemiske metoder," siger Ph.D. studerende og hovedforfatter af papiret Deepthy Kavungal. "Vores ImmunoSEIRA-sensor udviser strukturel følsomhed og evnen til at overvåge et panel af komplementære biomarkører med høj specificitet fra små prøvevolumener i komplekse biomatricer."

Forenet dig med nanoteknologiens og kunstig intelligens

ImmunoSEIRA-sensoren har guld nanorod-arrays med antistoffer til specifik proteindetektion. Det muliggør specifik indfangning og strukturel analyse i realtid af målbiomarkører fra ekstremt små prøver. Neurale netværk, en undergruppe af AI-algoritmer, anvendes derefter til at identificere tilstedeværelsen af ​​specifikke fejlfoldede proteinformer, de oligomere og fibrillære aggregater, hvilket opnår et hidtil uset niveau af detektionsnøjagtighed, efterhånden som sygdommene udvikler sig.

Lashuel mener, at dette er et betydeligt fremskridt inden for sygdomsdetektion og tilføjer, at "da sygdomsprocessen er tæt forbundet med ændringer i proteinstrukturen, mener vi, at strukturelle biomarkører, især når de er integreret med andre biokemiske og neurodegenerationsbiomarkører, kan bane vejen for mere præcis diagnose og overvågning af sygdomsprogression."

EPFL-forskerholdet gik et skridt videre for at vise, at ImmunoSEIRA-sensoren kan bruges i rigtige kliniske omgivelser, det vil sige i biovæsker. De var i stand til nøjagtigt at identificere den specifikke signatur af unormale fibriller, en nøgleindikator for neurodegenerative sygdomme, selv i komplekse væsker som human cerebrospinalvæske (CSF).

Professor Altug forklarer, at det næste skridt med denne nye teknologi "er at fortsætte med at udvide dens muligheder og evaluere dens diagnostiske potentiale i Parkinsons sygdom og det voksende antal sygdomme forårsaget af proteinfejlfoldning og -aggregering."

Resultaterne af denne undersøgelse markerer et betydeligt fremskridt inden for områderne biosensing, infrarød spektroskopi, nanofotonik og neurodegenerative sygdomsbiomarkører. Implementeringen af ​​den AI-støttede ImmunoSEIRA-sensor er et velkomment fremskridt til tidlig NDD-detektion, sygdomsovervågning og lægemiddeleffektivitetsvurdering, der adresserer det kritiske behov for rettidig intervention og behandling af neurodegenerative sygdomme.

Flere oplysninger: Deepthy Kavungal et al., Kunstig intelligens-koblet plasmonisk infrarød sensor til påvisning af strukturelle proteinbiomarkører i neurodegenerative sygdomme, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adg9644

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

Leveret af Ecole Polytechnique Federale de Lausanne