Onderzoekers van het Prokhorov General Physics Institute van de Russian Academy of Sciences en het Moscow Institute of Physics and Technology hebben een nieuwe methode ontwikkeld voor het diagnosticeren en monitoren van auto-immuunziekten. Binnen slechts 25 minuten, hun nieuwe biosensor meet niet alleen de concentratie van auto-antilichamen in menselijk bloedserum met extreem hoge gevoeligheid, maar kwantificeert ook - voor de eerste keer - hun activiteit. De combinatie van deze parameters maakt de uitwerking van nieuwe diagnostische criteria voor auto-immuunziekten mogelijk, evenals nieuwe benaderingen van hun behandeling. De krant is gepubliceerd in Biosensoren en bio-elektronica , het hoogste wetenschappelijke tijdschrift op het gebied van biosensingtechnologie en analytische chemie.

Auto-antilichamen geproduceerd door het immuunsysteem interpreteren de cellen en organen van het organisme verkeerd als doelwitten, auto-immuunziekten veroorzaken. De auto-antilichamen worden in verband gebracht met meer dan 80 ernstige auto-immuunziekten, variërend van reumatoïde artritis, psoriasis, en lupus tot multiple sclerose en type 1 diabetes. Velen van hen hebben levenslange zorg en behandeling nodig om het lijden te verlichten.

Auto-antilichamen zijn aanwezig in het bloed van ongeveer 10% van de bevolking. Vanwege een hoge prevalentie van auto-immuunziekten, de economische impact is enorm en wordt voor sommige landen geschat op het dubbele van die van kanker. Auto-antilichamen verschijnen in het bloed lang voor klinische aanvang, en hun kenmerken kunnen worden gebruikt om ziekteactiviteit en ernst te voorspellen.

Momenteel, de behandeling van auto-immuunziekten is aanzienlijk gecompliceerd als gevolg van dramatische variaties in de resultaten van commerciële tests door verschillende fabrikanten.

"Afhankelijk van het laboratorium dat de test uitvoert, en de gebruikte methode, de auto-antilichaamconcentratie die tegelijkertijd in hetzelfde monster wordt gemeten, kan met een factor 10 variëren, " zegt een van de auteurs van het artikel, Alexey Orlov, een senior wetenschapper van het Biophotonics Lab bij GPI RAS en Nanobiotechnology Lab bij MIPT, een 2010 afgestudeerde van MIPT. "In feite, niemand kon vertrouwen op de concentratie van auto-antilichamen als kwantitatieve parameter om de efficiëntie van de therapie te evalueren."

Dergelijke inconsistenties in testresultaten komen voort uit de complexe aard van auto-antilichamen. Een auto-antilichaam omvat een reeks van vele heterogene moleculen die op wezenlijk verschillende manieren met elkaar en met een doelwit interageren. Tot nu, geen enkele techniek heeft het vermogen verschaft om deze factor te verklaren.

Ook, de bestaande methoden, veel gebruikt in de klinische praktijk, bieden niet de mogelijkheid om antilichaamactiviteit te karakteriseren - de parameter die laat zien hoe destructief de antilichamen zijn voor doelweefsels. De auteurs hebben een hulpmiddel ontwikkeld dat beide problemen tegelijk aanpakt:het voert snelle, zeer gevoelige metingen van de activiteit en concentratie van auto-antilichamen uit.

Een ander innovatief kenmerk is de gelijktijdige bepaling in een enkel monster van de concentratie en activiteit van auto-antilichamen tegen verschillende doelen. Een dergelijke benadering verhoogt de diagnostische waarde van de oplossing aanzienlijk omdat verschillende niveaus van auto-antilichamen tegen ongelijke doelen indicatief kunnen zijn voor verschillende ziekten. Een correlatieanalyse van de gelijktijdig verkregen gegevens over meerdere auto-antilichamen kan de nauwkeurigheid van diagnostiek aanzienlijk verbeteren.

"Daarom noemen we ons systeem multiplex, of multiparametrisch, " noemt studie co-auteur Averyan Pushkarev, een MIPT-promovendus en 2018-alumnus. "Een sterk voordeel zijn de verbruiksartikelen die in onze techniek worden gebruikt:we gebruiken een standaard dekglas voor microscoop. De lage kosten zijn vooral belangrijk voor massale medische diagnostiek, waarvoor wegwerpverbruiksartikelen nodig zijn."

Hoewel de studie de gelijktijdige karakterisering van antilichamen tegen twee doelen aantoont, het team werkt eraan om dat aantal te verhogen. Met behulp van de microchiptechnologie, bijvoorbeeld, duizenden doelen van 100 micron kunnen op een glasplaatje worden gedeponeerd.

Bij de nieuwe techniek een druppel bloedserum van de patiënt wordt over het glazen slipoppervlak geleid. Als er antilichamen in het serum aanwezig zijn, ze vinden hun doelwitten op het glas en binden zich eraan vast, het vergroten van de biolaagdikte op het glas. Onder de glazen slip, er is een interferometriesysteem ontwikkeld bij GPI RAS. Deze unieke optische lezer maakt realtime metingen mogelijk van de dikte van de moleculaire laag op elke plek op het glasoppervlak.

"Een fundamenteel belangrijk detail:in tegenstelling tot een groot aantal andere methoden, we hebben de auto-antilichamen interactie met bewegende doelen in plaats van die geïmmobiliseerd op een oppervlak, " Orlov voegt toe. "Dit is de allereerste oplossing die het mogelijk maakt om de interactie van auto-antilichamen met doelen in hun natuurlijke vorm en omgeving te onderzoeken, zoals ze aanwezig zijn in een levend organisme."

Dit wordt als volgt bereikt:zodra een auto-antilichaam zich bindt aan een doelwit op het glas, de onderzoekers pompen een oplossing van vrije doelmoleculen langs het glas. Op dat punt, de auteurs implementeren een aanpak die niemand in de praktijk heeft kunnen brengen voor de genoemde belangrijke taak. Elk auto-antilichaam bezit één of meer herkenningsfragmenten, bekend als Fab-fragmenten of 'handen, ' die doelen kan herkennen en grijpen. Bij de proef, een auto-antilichaam grijpt het geïmmobiliseerde doelwit met één 'hand' en gebruikt de andere om mobiele doelwitten uit het serummonster te halen. Dit proces levert kwantitatieve gegevens op over de feitelijke (natieve) activiteit van antilichamen. Bovendien, deze opstelling, aan de ene kant, zorgt voor immobilisatie van auto-antilichamen op het glas in hun natuurlijke vorm; en aan de andere kant, minimaliseert de binding van vreemde componenten die de resultaten kunnen beïnvloeden.

"We hebben niet alleen een efficiënte diagnostische test ontwikkeld, maar ook een uniek hulpmiddel voor het onderzoek naar auto-antilichamen, ", zegt senior auteur Petr Nikitin van de krant, die aan het hoofd staat van het Biophotonics Lab bij GPI RAS en in 1979 afgestudeerd is aan MIPT. "Met behulp van bloedmonsters van patiënten, we hebben aangetoond dat de kwantitatieve parameter van auto-antilichaamactiviteit onafhankelijk is van hun concentratie. De clinici hebben nu een hulpmiddel om beide belangrijke parameters in het verloop van een ziekte kwantitatief te volgen, en het uitwerken van nieuwe geavanceerde methoden voor de diagnostiek en behandeling van auto-immuunziekten."