Biosensoren meten de concentratie van moleculen in biologische monsters voor biomedische, milieu, en industriële toepassingen, en, ideaal, ze moeten realtime bieden, continue gegevens. Echter, de continue monitoring van kleine moleculen bij lage concentraties is problematisch. Onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven hebben een innovatieve sensing-aanpak ontwikkeld op basis van moleculaire lookalikes. Dit zou van cruciaal belang kunnen zijn in toekomstige biosensoren voor het monitoren van gezondheid en ziekte.

Het gebied van biosensoren heeft een rijke en inventieve geschiedenis. De "vader van biosensoren" wordt door velen gezien als Leland C. Clark Jr., die begin jaren zestig een sensor ontwierp om zuurstof in bloed te meten.

Echter, zoals gebeurt in baanbrekende werken, dingen begonnen niet zoals hij had gehoopt. Zijn aanvankelijke sensorontwerpen faalden omdat bloedcomponenten de meetelektrode aantasten.

Clarks oplossing was om de elektrode en het bloed door een cellofaanverpakking van een sigarettenpakje te scheiden. wat de oplossing bleek te zijn om betrouwbaar zuurstof in het bloed te meten. Een schoolvoorbeeld van creatief en innovatief zijn in het laboratorium!

Snel vooruit naar 2020, en onderzoekers van de faculteiten Biomedische Technologie en Technische Natuurkunde van de TU/e ​​tonen een vergelijkbare vindingrijkheid als het gaat om het waarnemen van interessante moleculen met een lage massa.

In een paper gepubliceerd in ACS-sensoren , Junhong Yan, Menno Prins, en collega's presenteren een nieuwe benadering die continu de concentratie van moleculen met een lage massa van belang in biologische monsters kan meten op basis van biosensing door deeltjesmobiliteit (BPM).

"Onze aanpak is een platform voor toekomstige biosensoren om continu markers te monitoren die verband houden met persoonlijke gezondheidsproblemen zoals nier- of leverfalen, " zegt Jan.

Biosensoren 101

Bestaande biosensoren geven typisch een enkel meetresultaat van een enkel biologisch monster. Het monster kan bloed zijn, zweet, urine, of speeksel, en het resultaat kan het niveau van een eiwit zijn, een hormoon, een drug, of een virus in het monster.

Echter, het zou beter zijn als sensoren een continue datastroom geven in plaats van slechts één enkel datapunt, omdat dat een persoon in staat zou stellen om te volgen hoe een medische aandoening zich in de loop van de tijd ontwikkelt.

De enige continue biosensor die momenteel in de handel verkrijgbaar is, is de continue glucosemonitor (CGM) die continu glucose meet in interstitiële huidvloeistof, wat erg handig is voor mensen met diabetes. Helaas, andere moleculen dan glucose kunnen nog niet continu worden gemeten. Dit biedt een belangrijke kans voor sensorinnovatie!

Elke biosensor bestaat uit drie hoofdonderdelen:een moleculaire component die een bioreceptor omvat die zich aan het betreffende molecuul kan binden, een transducerend principe dat de moleculaire herkenning omzet in een detecteerbaar signaal, en een detectiesysteem dat het signaal opneemt en het antwoord als een getal presenteert, grafiek, geluid, of lichtindicatie die gemakkelijk door de gebruiker kan worden geïnterpreteerd.

"In dit werk hebben we ons gericht op het eerste deel - het bedenken van een moleculair principe om continu interessante moleculen te meten met een lage moleculaire massa en een lage concentratie, ' zegt Prins.

Moleculaire lookalikes

De sensor ontworpen door Yan, Prins, en het team nam het gebruik van moleculaire lookalikes of nepversies van de moleculen van belang over.

Dus hoe helpen deze op elkaar lijkende moleculen bij de detectie van de echte moleculen? Menno Prins legt meer uit:"Het oppervlak van de sensor is bedekt met antilichamen die kunnen binden aan de moleculen van belang. Als er geen moleculen in de testvloeistof zitten, de lookalike moleculen zijn vrij om te binden aan de antilichamen. Echter, wanneer er moleculen van belang in de vloeistof zijn, deze kunnen aan de antilichamen binden. Als resultaat, de lookalikes worden bevrijd van hun binding aan de antilichamen."

De gelijkaardige moleculen bewegen niet vrij rond de sensor zoals de moleculen van belang doen in een testvloeistof. Deze op elkaar lijkende moleculen zitten vast aan een microdeeltje, die met DNA aan het oppervlak van de sensor is vastgemaakt, zodat het schakelen tussen gebonden en ongebonden toestanden kan worden gedetecteerd.

Binden is de sleutel

De bediening van het detectieplatform is vrij eenvoudig, en briljant moet gezegd worden. Alle moleculaire bindingsgebeurtenissen zijn ontworpen om omkeerbaar te zijn. Dit omvat de binding tussen antilichamen en de lookalikes, en de binding tussen de antilichamen en de moleculen van belang in oplossing.

Herhaalde bindende en ontbindende gebeurtenissen waarbij de lookalike moleculen of de moleculen van belang in een vloeistof zijn betrokken, vinden plaats, en deze gebeurtenissen kunnen gemakkelijk worden gemeten met behulp van optische microscopie door de toestand van het microdeeltje vast te leggen.

Wanneer er een hoge concentratie van de van belang zijnde moleculen in een oplossing is, dan worden de meeste antilichamen op het sensoroppervlak geblokkeerd. Dit vermindert het potentieel voor de microdeeltjes om over te schakelen naar een gebonden toestand. Anderzijds, wanneer de concentratie laag is, dan vinden er veel omschakelingen plaats tussen gebonden en ongebonden toestanden vanwege de omkeerbare bindingen van de moleculaire lookalikes.

"Detectie van bindende en ontbindende gebeurtenissen van een groot aantal deeltjes veroorzaakt door de specifieke moleculaire interacties is de sleutel tot de technologie, waardoor we kleine veranderingen in de moleculaire concentratie in de vloeistof kunnen meten, " zegt Jan.

Tests doorstaan ​​en volgende stappen

Om hun nieuwe aanpak te testen, de auteurs ontwierpen sensoren om de concentraties van korte enkelstrengs DNA-fragmenten en van creatinine te bewaken. De concentraties werden gedurende uren gevolgd, met een tijdsresolutie van enkele minuten.

Creatinine is een metabolietmolecuul met een kleine massa van slechts 113 Dalton die een marker is voor de nierfunctie. De marker kon worden gemeten in het medisch relevante bereik tussen 10 M en 10 mM. Enkelstrengs DNA kon worden gemeten tussen 10 nM en 1 M.

"Deze resultaten zijn veelbelovend en tonen aan dat kleine moleculen continu kunnen worden gevolgd in een breed scala aan concentraties. Ons volgende doel is om de technologie voor een grote verscheidenheid aan moleculen en biologische vloeistoffen te demonstreren, om toekomstige toepassingen in de zorg mogelijk te maken, en in industriële proces- en milieumonitoring", zegt Prins.

Deze innovatieve detectiebenadering kan heel goed problemen oplossen met de detectie van biomarkers met een lage molecuulmassa voor onze toekomstige biosensorbehoeften.

Hoewel de aanpak iets geavanceerder is dan het gebruik van een cellofaanwikkel op een elektrode, het is vrij waarschijnlijk dat wijlen Leland C. Clark Jr. onder de indruk zou zijn geweest.