In 2008, een verontreiniging ontsnapte aan de kwaliteitswaarborgen in de farmaceutische industrie en infiltreerde een groot deel van de voorraad van de populaire bloedverdunner heparine, honderden ziek maken en ongeveer 100 doden in de V.S.

Er was een team van onderzoekers onder leiding van de Amerikaanse Food and Drug Administration nodig om de verontreiniging te bevestigen, een toxine dat qua structuur vergelijkbaar is met heparine en werd herleid tot een Chinese leverancier. Maar detectie van de onzuiverheid vereiste "een enorme inspanning van zware slagmensen in de chemiewereld, " zei Jason Dwyer, universitair hoofddocent scheikunde aan de Universiteit van Rhode Island.

Na bijna acht jaar onderzoek, Dwyer heeft een eenvoudigere en snellere methode ontwikkeld om de onzuiverheid in heparine te detecteren, samen met het creëren van een proces dat grotere voordelen zou kunnen hebben. Zijn onderzoek werd vandaag onthuld in het prestigieuze online tijdschrift Natuurcommunicatie , onderdeel van de reeks tijdschriften van de uitgeverij Nature.

"Er zijn tests die veel geavanceerder en duurder zijn om de onzuiverheid te detecteren, " zei Dwyer, van de Voorzienigheid, R.I. "Wat we konden doen is - op een zeer goedkope en snelle manier - vingerafdruk heparine en vertellen wanneer er een verontreiniging in zit."

Het onderzoek, "Onderzoeken van siliciumnitride nanoporiën voor Glycomics en Heparine Quality Assurance, " kan ook worden gebruikt om de hele klasse van moleculen te analyseren waartoe heparine behoort, met een breed gebruik in de biomedische diagnostiek, farmaceutische producten en omgevingsdetectie. Dwyer's bredere onderzoek naar suikers werd in juli ondersteund met een bedrag van $ 318, 000 subsidie ​​van de National Science Foundation.

Bijvoorbeeld, Dwyer zei, de nieuwe detectietechniek zou kunnen dienen als kwaliteitsborgingsinstrument in de farmaceutische industrie, vooral met een grotere druk om meer op suiker gebaseerde medicijnen te ontwikkelen, zoals heparine. "Suikers zijn ongelooflijk belangrijk, " zei Dwyer, wiens onderzoek in het verleden heeft geleid tot publicatie in de spraakmakende tijdschriften Natuur en Wetenschap . "Ze zijn hoe bacteriën met elkaar communiceren. Ze zijn hoe we veel nieuwe medicijnen gaan ontwerpen, dus we hebben nieuwe hulpmiddelen nodig om suikers te analyseren."

Om de nieuwe detectietechniek te ontwikkelen, Dwyer wendde zich tot een detectiemethode die bewezen is in de sequentiebepaling van DNA en eiwitten. De sensor bestaat uit een gat, of nanoporiën, minder dan een duizendste van de dikte van een mensenhaar, zittend op een membraan dat nog dunner is, en test stoffen op het kleinst detecteerbare niveau - een enkel molecuul.

Terwijl de sensor, een nanoporie van siliciumnitride in vaste toestand, werkte goed voor DNA, het moest worden aangepast voor suikermoleculen, die veel complexer zijn, zei Dwyer, wiens groep zich als een van de eersten op suikers richtte.

Vanaf 2010 het project ontwikkelde zich samen met ander werk van het team van Dwyer. Het duurde jaren om apparaten te fabriceren en af ​​te stemmen, verfijn de nanoporie en voorkom dat de opening verstopt raakt. "In de loop der jaren hebben een behoorlijk aantal studenten aan dit project gewerkt, "Zei Dwyer. "We hebben niet toegegeven. We stootten een tijdje met onze hoofden tegen de muur en we realiseerden ons dat we behoorlijk wat fundamenteel werk moesten doen voordat we op het punt van detectie konden komen."

Een onverwacht probleem werd opgelost door Buddini Karawdeniya, hoofdauteur van de paper die in het voorjaar haar doctoraat in de chemie aan URI afrondde. Toen ze probeerde suikermoleculen door de nanoporie te laten lopen, ze gingen achteruit. "In 1996, mensen ontdekten hoe DNA kon worden waargenomen met een nanoporie, "Zei Dwyer. "Er waren enkele eigenaardigheden, maar het werkte zoals verwacht. Sugars reageerde meteen niet zoals verwacht. Dus Buddini moest kijken naar wat er 20 jaar was gedaan, maar weet dat ze op een bepaald niveau opnieuw moest beginnen."

Met de crisis van 2008 onderzoekers waren erin geslaagd om de overgesulfateerde chondroïtinesulfaatverontreiniging te identificeren en te detecteren, die bijna identiek was aan de heparine. Met behulp van de verfijnde nanoporie, Dwyer's onderzoek keek naar beide monsters, vastgesteld dat de signalen die ze genereerden voor 99 procent identiek waren, en bedacht analysetechnieken om het verschil van 1 procent te gebruiken om de onzuiverheid betrouwbaar te detecteren.

"De test die we bedachten duurt ongeveer 20 minuten, " hij zei, "en werkt bij klinisch relevante concentraties."

Het doel is om de detectie van de onzuiverheid nog sneller te maken, tot minuten en seconden. Tegelijkertijd, het apparaat zal moeten worden aangepast voor een commerciële gebruiker die mogelijk niet de expertise heeft van een onderzoeker in een laboratorium voor technologieontwikkeling. Ook, de tool zou nauwkeurig moeten presteren in een minder gecontroleerde omgeving.

"Hier begint onderzoek over te gaan in ontwikkeling, en we beginnen de voorwaarden en de apparaten nog meer te verfijnen, "Zei Dwyer. "Vaak is ontdekken het gemakkelijkst. Het verfijnen voor de eindgebruiker kost tijd."

De nanoporie die uit het heparine-onderzoek voortkwam, is met dat in gedachten ontworpen. Het maakt gebruik van technologie die vergelijkbaar is met die in bijna elk stuk consumentenelektronica, zei Dwyer, er is dus al een industrie klaar om de sensoren op grote schaal te produceren.

"We proberen altijd aan de consumentenmarkt te denken, "zei hij. "Wat we in het lab doen is één ding - en het is van vitaal belang - maar hoe vertalen we het naar de echte wereld?"