Russische onderzoekers van het Prokhorov General Physics Institute van de Russian Academy of Sciences (GPI RAS) en het Moscow Institute of Physics and Technology (MIPT) hebben 's werelds eerste ultragevoelige methode ontwikkeld voor snelle detectie van kleine moleculen. Deze methode detecteert sporen van toxines, hormonen, vitamines en andere biologisch actieve moleculen die van belang zijn voor het toezicht op de gezondheidszorg en de voedselveiligheid, onder andere mogelijke toepassingen. De studie is gepubliceerd in het novembernummer van Analytica Chimica Acta .

De nieuwe laterale-flow-assay is gebaseerd op magnetische labels en duurt minder dan 30 minuten. Het is 100 keer gevoeliger dan de enzymgebonden immunosorbenstest, of ELISA, gebruikt voor conventionele laboratoriumtests. De auteurs demonstreerden de werkzaamheid van de nieuwe benadering op een modelassay die thyroxine in humaan bloedserum meet. Thyroxine is een van de belangrijkste hormonen die door de schildklier wordt geproduceerd en is nuttig voor het bewaken van de functie ervan. De testprocedure is betaalbaar en eenvoudig genoeg om op het zorgpunt te worden uitgevoerd, direct na de bloedafname.

De reden dat het nodig is om kleine moleculen met een hoge gevoeligheid te detecteren, is dat ze vaak een sterk effect op het lichaam hebben, zelfs in kleine concentraties. Momenteel wordt ELISA beschouwd als de gouden standaard voor het meten van de concentratie van kleine moleculen. Echter, deze methode vereist adequaat uitgeruste laboratoria met hooggekwalificeerd personeel voor de implementatie ervan. De gevoeligheid van de detectie van schildklierhormoon kan worden verhoogd via radio-immunoassays met radioactieve labels die ondanks hun aanzienlijke beperkingen een korte halfwaardetijd hebben en potentieel gevaarlijk zijn. Andere conventionele analyses vereisen een lange monstervoorbereiding en gespecialiseerde apparatuur.

De laterale-flow-assay (LFA), algemeen bekend om zijn toepassing in zwangerschapstesten, vormt een aantrekkelijk alternatief. Vergeleken met ELISA, het is minder uitgebreid en technisch complex. Echter, in veel landen, het heeft alleen goedkeuring van de regelgevende instanties voor het verkrijgen van drempelresultaten en alleen voor die gevallen waarvoor hoge gevoeligheid niet essentieel is. Het is daarom een ​​van de belangrijkste doelstellingen in de medische diagnostiek om een ​​methode te ontwikkelen voor de detectie van kleine moleculen die snel, gevoelig, en eenvoudig.

In de studie die in dit verhaal wordt beschreven, een gezamenlijk onderzoeksteam van GPI RAS en MIPT heeft een testkit ontwikkeld die gebruik maakt van een gemodificeerde LFA met magnetische nanolabels en bifunctionele liganden. Om de capaciteiten en beperkingen van het nieuwe systeem te testen, de auteurs kozen ervoor om thyroxine te detecteren, het belangrijkste schildklierhormoon, zoals een model. Bovendien gaf het hun onderzoek klinische betekenis.

De lay-out van de nieuwe magnetische immunoassay verschilt in meerdere opzichten van de conventionele LFA (zie figuur 1). Het bloedserum van een patiënt, die is getest op gratis thyroxine, wordt gelijktijdig aangevuld met magnetische nanodeeltjes-gelabelde antilichamen en met een bifunctioneel thyroxine-ligand. Dit bifunctionele ligand is een thyroxine die covalent aan biotine is gebonden via een "brug" die de twee moleculen verbindt, maar ze ook uit elkaar houdt. De antistoffen op magnetische nanodeeltjes kunnen dus zowel binden aan thyroxine uit het bloedserum als aan het bifunctionele ligand. Na een bepaalde tijd, genoeg om de moleculen in de oplossing aan elkaar te laten binden, het mengsel wordt afgezet op een membraan. Deeltjes gebonden aan het bifunctionele ligand worden gevangen op de testlijn van streptavidine, een eiwit met een buitengewoon hoge affiniteit voor biotine. Om de testresultaten op te halen, de onderzoekers gebruikten originele elektronische apparatuur, die gebruikmaakt van de ultragevoelige kwantificeringsmethode voor magnetische deeltjes, of MPQ. Het omvat niet-lineaire hermagnetisatie van deeltjes door een wisselend magnetisch veld op twee frequenties en een daaropvolgende detectie van de inductieve respons bij combinatorische frequenties. Samen met de nauwkeurigheid van de MPQ-methode, de hoge affiniteit van het bifunctionele ligand voor de teststrip zorgt voor een ongekende gevoeligheid van de test en bereikt een detectielimiet van ongeveer 1 miljoen moleculen van het hormoon per milliliter (16 femtogram!) met een dynamisch bereik van drie orden.

Petr Nikitin, doctoraat, die het onderzoeksteam leidde, deelde meer details over de studie:"Onze methoden voor het meten van de concentratie van verbindingen met kleine moleculen worden uitgevoerd via universele immunochromatografische strips met streptavidine op de detectielijn. Dus, ze zijn gemakkelijk te repliceren en op te schalen. Om tests voor andere analyten te ontwikkelen, zouden we standaardantilichamen en speciale bifunctionele liganden nodig hebben, waarvan de synthese voor kleine moleculen een uitdaging is."

"Gelukkig, onze toolkit bevat originele interferometrische technieken en apparatuur die we eerder hebben ontwikkeld, die real-time detectie van moleculaire interactiedynamiek mogelijk maken, " legde Petr Nikitin uit, een MIPT-afgestudeerde uit 1979 en hoofd van een laboratorium bij GPI RAS. "We hebben deze apparatuur gebruikt om de optimale immunoreactanten en de bifunctionele thyroxine-biotine-liganden te identificeren, die door de aard van hun gespreide, 'gebrugde' structuur maken beide kleine moleculen beschikbaar voor effectieve interactie met beide grote moleculen, namelijk met het detecterende antilichaam en streptavidine. Het heeft ons veel tijd bespaard voor testontwikkeling en heeft grotendeels bijgedragen aan het succes van dit onderzoek."

De hoofdauteur van het artikel, Alexey Orlov, doctoraat, een onderzoeker bij GPI RAS en MIPT's Nanobiotechnology Lab, toegevoegd:"We gebruiken magnetische deeltjes als nanolabels van immunochemische reacties. Een draagbaar apparaat detecteert deze deeltjes kwantitatief met recordhoge precisie uit het volledige volume van de 3D-reactiezone op een teststrip, in plaats van vanaf het oppervlak van een membraan, zoals het geval is bij optische labels. Dit is een van de factoren die zorgen voor de eenvoud van onze ultralage concentratiemetingen van kleine moleculen in complexe media. Als resultaat, vrijwel iedereen is uitgerust om uniek gevoelige testen uit te voeren zonder uitgebreide monstervoorbereiding."

"De nieuwe test is een point-of-care-testtechniek waarvan de kenmerken de bestaande systemen voor laboratoriumdiagnostiek aanzienlijk overtreffen, " zei Sergej Znoyko, doctoraat, de eerste auteur van het artikel. "In de toekomst, door het bereik van op deze manier detecteerbare biologische moleculen uit te breiden, we zouden een multiparameter-assay van complexe media zoals bloed kunnen uitvoeren die veel goedkoper zou zijn dan de huidige analogen."

"Deze aanpak is eenvoudig, betaalbaar, en aanpasbaar voor de detectie van andere kleine moleculen, " zei MIPT-afgestudeerde studente Natalia Guteneva, die co-auteur was van de studie. "We hopen dat het actief zal worden gebruikt om te zoeken naar nieuwe ziektemarkers, in de medische diagnostiek, ecologische monitoring, voedselveiligheidscontrole, bioveiligheid, en elders."