Aangezien de medische wetenschap is gaan begrijpen dat het menselijk lichaam op moleculair niveau wordt bestuurd door verschillende eiwitten, hormonen, verdovende middelen, en andere stoffen, technologieën zijn ontwikkeld om niveaus van deze moleculen te detecteren om de gezondheid te bewaken en ziekten te diagnosticeren. Echter, veel van deze moleculen zijn zo klein dat ze niet kunnen worden gedetecteerd met de meest algemeen beschikbare analysetechnieken, vragen achterlaten over cruciale stoffen zoals aminozuren, suikers, en lipiden grotendeels onbeantwoord.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers van het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering aan de Harvard University en Brigham and Women's Hospital (BWH) hebben een nieuw type immunoassay ontwikkeld die in staat is om kleine moleculen te detecteren met een 50 keer grotere gevoeligheid dan conventionele detectiemethoden, en kan eenvoudig worden geïntegreerd in bestaande diagnoseplatforms. Het onderzoek staat beschreven in de Tijdschrift van de American Chemical Society .

"De verbeterde analytische gevoeligheid van onze test maakt metingen van kleine moleculen bij extreem lage concentraties mogelijk, en opent een venster naar biologische fenomenen die voorheen onbereikbaar waren, " zei senior auteur David Walt, doctoraat, een kernfaculteitslid van het Wyss Institute, die ook de Hansjörg Wyss Professor of Biologically Inspired Engineering aan de Harvard Medical School (HMS) en Professor of Pathology aan BWH is, evenals een HHMI-hoogleraar.

De nieuwe aanpak is gebaseerd op een soort analyse die een competitieve immunoassay wordt genoemd, waarbij een bekende hoeveelheid van een gelabeld molecuul van belang en een monster met een onbekende hoeveelheid van het molecuul beide worden toegevoegd aan een reeks antilichamen waaraan ze binden. De gelabelde en niet-gelabelde moleculen "concurreren" vervolgens om dezelfde antilichaambindingsplaatsen. Door de hoeveelheid van het gelabelde molecuul van belang dat aan de antilichamen is gebonden te analyseren in vergelijking met het totale aantal beschikbare antilichaamplaatsen, het is mogelijk om te concluderen dat de resterende plaatsen zijn gebonden door het niet-gelabelde molecuul uit het monster, waardoor de concentratie van dat molecuul kan worden bepaald.

De onderzoekers creëerden twee soorten competitieve immunoassays die enigszins verschillende methoden gebruikten om kleine moleculen van belang te vangen, gebaseerd op het Simoa-systeem van Quanterix. De eerste methode maakt gebruik van magnetische microkralen die zijn gecoat met het doelmolecuul als de concurrent, terwijl de tweede methode het doelmolecuul hecht aan het enzym beta-galactosidase, die vervolgens bindt aan de magnetische kralen om het concurrentcomplex te vormen. Nadat de korrel/antilichaammengsels zijn gemengd met een monster dat een onbekende hoeveelheid van het doelmolecuul bevat, de korrels worden gespoeld om eventuele ongebonden moleculen te verwijderen en vervolgens toegevoegd aan een Simoa-schijf met duizenden microwells, die elk één parel gebonden aan één doelmolecuul kunnen bevatten. Er vindt dan een reactie plaats waardoor elk putje dat een kraal met het gelabelde doelmolecuul bevat, fluoresceert. Hoe minder aantal fluorescerende putten, hoe minder gelabelde doelmoleculen aan de bolletjes zijn gebonden, en dus hoe groter de concentratie van het niet-gelabelde doelmolecuul dat in het monster aanwezig is.

Twee kleine moleculen die belangrijk zijn voor de normale functie van het menselijk lichaam werden geanalyseerd:cortisol en PGE2. Cortisol wordt veel gebruikt om de functie van de bijnier te evalueren, hypofyse, en hypothalamusklieren, terwijl PGE2 een hormoonachtig prostaglandinemolecuul is dat ontstekingen beïnvloedt, vruchtbaarheid, en immuunfunctie. De nieuwe competitieve methoden waren in staat om hun doelwitten te detecteren met een tot 50 keer grotere gevoeligheid dan een conventionele ELISA (enzyme-linked immunosorbent assay), binnen ongeveer een uur.

"Ons plan is om deze methode te gebruiken in de diagnostiek voor een betere detectie van hormonen in bloedmonsters, " zei eerste auteur Xu Wang, doctoraat, een postdoctoraal onderzoeker bij BWH en het Wyss Institute. "We proberen deze technologie te commercialiseren voor de snelle detectie van kleine moleculen voor een verscheidenheid aan klinische en milieutoepassingen."

"Het Walt-team blijft met deze vooruitgang de grenzen verleggen op het gebied van diagnostiek. Door moleculen te detecteren die voorheen niet detecteerbaar waren binnen een uur, ze openen geheel nieuwe benaderingen voor diagnostiek en klinische monitoring die de menselijke gezondheid aanzienlijk zouden moeten verbeteren. Het is precies het type translationele innovatie dat we hopen mogelijk te maken en te versterken bij het Wyss Institute, " zei Donald Ingber, de oprichter van het Wyss Institute, MD, doctoraat, die ook de Judah Folkman Professor of Vascular Biology is aan de HMS en het Vascular Biology Program aan het Boston Children's Hospital, evenals hoogleraar bio-engineering aan de Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).