De belofte om snel en nauwkeurig te kunnen screenen op ziekten of chemische verontreinigingen in een kleine druppel bloed is al lang een ongrijpbaar doel. Maar wetenschapper Daojing Wang zegt dat de technologie van zijn bedrijf aan het werk is.

Als onderzoeker bij het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab), Wang en anderen ontwikkelden een multinozzle emitter array (MEA), een siliciumchip die de tijd die nodig is om eiwitten te identificeren drastisch kan verkorten, peptiden, en andere moleculaire componenten in kleine hoeveelheden biologische monsters. Deze gepatenteerde technologie wordt nu gecommercialiseerd door Newomics Inc., een bedrijf dat Wang lanceerde om het product verder te ontwikkelen en een platform te bouwen voor gepersonaliseerde gezondheidszorg.

"We kunnen de gevoeligheid en doorvoer van massaspectrometrie verbeteren voor het detecteren van biomarkers in bloed of andere biologische vloeistoffen voor precisiegeneeskunde, " zei Wang, oprichter en voorzitter van het bedrijf. "Ons eerste product, de M3-zender, is tot 10 keer gevoeliger dan conventionele emitters, en met enkele analyten, zelfs 100 keer gevoeliger."

Newomics-product, die is gebaseerd op de kerntechnologie die is ontwikkeld in Berkeley Lab, is ontworpen om te werken met massaspectrometers, een machine die vaak wordt gebruikt door onderzoekers, de farmaceutische industrie, en steeds vaker in klinische laboratoria, om de structuur en concentratie van moleculen te meten. Zodra moleculaire delen zijn geïsoleerd, wetenschappers kunnen beginnen te begrijpen hoe ze samenwerken als een systeem, een gebied dat bekend staat als systeembiologie en een grote belofte inhoudt voor betere medicijnen en diagnostiek, evenals tal van andere toepassingen.

Hoe het werkt

In zijn 11 jaar bij Berkeley Lab, Wang specialiseerde zich in het ontwikkelen van nieuwe tools en methoden voor systeembiologie. Zijn medewerkers aan de emittertechnologie waren onder meer Berkeley Lab-wetenschappers Pan Mao, voorheen in de Life Sciences Division van het Lab, en Peidong Yang, een senior wetenschapper in de Materials Sciences Division.

Hij was gemotiveerd om deze emittertechnologie te ontwikkelen om zogenaamde "single-cell omics, " een opkomend veld in de biologie waar DNA, RNA, eiwitten, en metabolieten worden op individueel celniveau onderzocht, nieuwe inzichten in ziekte en immuniteit opleveren.

De dominante methode voor het analyseren van biologische moleculen zoals peptiden en eiwitten in een complex mengsel is elektrospray ionisatie massaspectrometrie (ESI-MS), een techniek waarbij moleculaire monsters als geïoniseerde nevel aan de machine worden geleverd, aangedreven door een elektrische stroom. Maar er is een knelpunt aan de voorkant van ESI-MS, waardoor het traag en duur wordt. Elk monster moet worden geladen, opgesteld, en een voor een gespoten.

In plaats van een enkel capillair, De M3-emitter van Newomics heeft acht of meer sproeiers die samenwerken om een ​​enkele grote stroom in kleinere stromen te splitsen. Voor de MEE, tot 96 M3-emitters zijn verpakt op een enkele chip. De ontwikkeling van deze technologieën omvatte een mix van microfluïdische, micro-elektronisch, en elektrochemische innovaties.

"Stel je een douchekopontwerp voor. Je hebt één grote stroom die binnenkomt, en vele kleinere stromen gaan uit, " zei Wang. "Je laat de oplossing door de chip stromen, en de oplossing wordt in druppeltjes gesproeid. Vervolgens worden de moleculen in de druppeltjes gedetecteerd door de massaspectrometer. Het idee is dat wanneer je kleinere druppeltjes hebt, je verhoogt de ionisatie-efficiëntie en de gevoeligheid voor massaspectrometrie."

Wat het kan doen?

Door de bottleneck op te ruimen en de doorvoer te vergroten, De emitter van Newomics zou de kosten van het testen van elk monster drastisch kunnen verlagen. En door de gevoeligheid te verbeteren, het zal ook mogelijk zijn om zeer lage concentraties moleculen te detecteren. Bijvoorbeeld, ze toonden aan dat ze veel verschillende gemodificeerde vormen van eiwitten konden analyseren, zoals geglyceerd albumine en apolipoproteïnen, naast de conventionele glucose en HbA1c bij diabetesmonitoring, met behulp van een enkele druppel bloed. Dergelijke tests hebben het potentieel om een ​​betere langetermijnmonitoring en ziektebeheer van diabetes mogelijk te maken.

"We zouden de gevoeligheid en robuustheid van massaspectrometrie kunnen verbeteren, " zei Wang. "Bijvoorbeeld, als iemand wil kijken naar weinig voorkomende soorten, ze kunnen onze apparaten gebruiken. En verbeterde robuustheid betekent dat de resultaten beter reproduceerbaar en betrouwbaarder zijn."

Naast de productie van haar emitterende producten, Newomics ontwikkelt ook diensten voor precisiegeneeskunde, een nieuwe richting in de gezondheidszorg waarin behandelingen voor individuen worden gepersonaliseerd op basis van diagnostische tests, zoals genomische, proteoom, of moleculaire analyse.

"Het in licentie geven van een Berkeley Lab-technologie als basis voor de startup en vervolgens het ontwikkelen van een superieur onderzoeksinstrument was slechts een eerste stap voor Newomics, " zei Elsie Quaite-Randall, Berkeley Lab's Chief Technology Transfer Officer. "Door te vertakken in nieuwe producten en dienstencategorieën, Newomics toont de verstrekkende impact, overuren, van door DOE gefinancierd fundamenteel onderzoek."

Tot dusver, het bedrijf heeft op bloed gebaseerde testen ontwikkeld voor de diagnose en behandeling van diabetes, en voor de monitoring van milieutoxines - met name PFC's, of geperfluoreerde chemicaliën, door de mens gemaakte chemicaliën die worden gebruikt in een overvloed aan alledaagse producten die langzaam in het lichaam worden afgebroken en nadelige effecten kunnen hebben op de menselijke gezondheid.