Veel levensbedreigende medische aandoeningen, zoals sepsis, die wordt veroorzaakt door via het bloed overdraagbare ziekteverwekkers, kan niet nauwkeurig en snel genoeg worden gedetecteerd om de juiste behandelingskuur te starten. Bij patiënten die zijn geïnfecteerd met een onbekende ziekteverwekker en overgaan tot openlijke sepsis, elk extra uur dat een effectief antibioticum niet kan worden toegediend, verhoogt het sterftecijfer aanzienlijk, dus tijd is van het allergrootste belang.

De uitdaging bij het snel diagnosticeren van sepsis komt voort uit het feit dat het meten van slechts één biomarker vaak geen duidelijke diagnose mogelijk maakt. Ingenieurs worstelen al tientallen jaren met het gelijktijdig kwantificeren van meerdere biomarkers in volbloed met een hoge specificiteit en gevoeligheid voor diagnostische toepassingen op het punt van zorg (POC), aangezien dit tijdrovende en kostbare bloedverwerkingsstappen zou vermijden, waarbij informatieve biomarkermoleculen mogelijk verloren zouden kunnen gaan .

Nutsvoorzieningen, een multidisciplinair team van het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering van Harvard en de University of Bath, VK, onder leiding van Wyss Founding Director Donald Ingber, MD, doctoraat, en Wyss Senior Staff Scientist Pawan Jolly, doctoraat, heeft de eRapid-technologie van het Instituut verder ontwikkeld als een op affiniteit gebaseerde, goedkoop elektrochemisch diagnostisch sensorplatform voor de multiplexdetectie van klinisch relevante biomarkers in volbloed. Het apparaat maakt gebruik van een nieuwe op grafeen nanocomposiet gebaseerde oppervlaktecoating en het is aangetoond dat het nauwkeurig drie verschillende sepsis-biomarkers tegelijkertijd detecteert. De bevindingen worden gerapporteerd in Geavanceerde functionele materialen .

"In dit onderzoek, we hebben een belangrijke stap gezet in de richting van de implementatie van ons elektrochemische sensorplatform in klinische omgevingen voor snelle en gevoelige detectie van meerdere analyten in menselijk volbloed. Omdat de nanocomposietcoating die we hier hebben ontwikkeld goedkoop is, het heeft de potentie om een ​​revolutie teweeg te brengen in point-of-care-diagnostiek, niet alleen om te testen op sepsis-biomarkers, maar een veel breder scala aan biomarkers die in sets kunnen worden gemultiplext om te rapporteren over de toestanden van vele ziekten en aandoeningen, " zei Inger, die ook een leider is van het Bioinspired Therapeutics and Diagnostics-platform van het Wyss Institute, en de Judah Folkman hoogleraar Vasculaire Biologie aan de Harvard Medical School en het Boston Children's Hospital, en hoogleraar bio-engineering aan SEAS.

Inge, Jolly en hun Wyss-team ontwikkelen momenteel ook eRapid elektrochemische sensoren met de nieuw ontwikkelde op grafeen gebaseerde nanocomposietcoating als een cruciaal onderdeel van een point-of-care-diagnose voor COVID, traumatische hersenschade, hartinfarct, en vele andere aandoeningen.

Door hun elektrochemische sepsis-detectietechnologie te ontwikkelen, Ingbers team bouwde voort op eerder werk gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie , waarin ze het probleem van "biofouling" hadden opgelost met elektrochemische detectie-elementen met hun eRapid-technologie. In theorie, elektrochemische biosensoren zouden voor veel klinische toepassingen de voorkeur hebben vanwege hun vermogen om de inhoud van biologische monsters te kwantificeren door de bindingsgebeurtenis van een biomarker direct om te zetten in een elektronisch signaal, hun lage stroomverbruik en lage kosten, en eenvoudige integratie met diagnostische lezers. Echter, vooral bij gebruik van volbloed, veel bloedbestanddelen binden zich niet-specifiek aan de oppervlaktecoatings van de elektroden van de sensoren en leiden tot hun degradatie, evenals elektrische ruis in de vorm van valse signalen.

De eRapid-technologie van het team maakt gebruik van een nieuwe aangroeiwerende nanocomposietcoating voor elektroden waaraan bindingsreagentia zijn bevestigd die biomarkermoleculen opvangen uit kleine hoeveelheden bloed en andere complexe biologische vloeistoffen. Bij het chemisch detecteren van een van deze biomarkermoleculen met een hoge gevoeligheid en selectiviteit, het eRapid-platform genereert een elektrisch signaal bij de elektroden dat qua sterkte correleert met de niveaus van gedetecteerde doelmoleculen. De initiële nanocomposietcoating maakte een uitstekende omzetting van chemische naar elektrische signalen mogelijk, en vertrouwden op kleine elektrisch geleidende gouden nanodraden die waren ingebed in een matrix van een verknoopt eiwit dat bekend staat als runderserumalbumine. Echter, de hoge kosten van de gouden materialen waren de belangrijkste belemmering voor het commercialiseren van eRapid voor klinische toepassingen.

"In onze geavanceerde eRapid-versie, we hebben de gouden nanodraden van de coating vervangen door grafeenoxide-nanovlokken die ook aangroeiwerende en elektrochemische eigenschappen hebben, maar ze zijn veel minder duur en maken nog gevoeligere metingen mogelijk. In feite, de kosten voor het vervaardigen van het nanocomposiet werden teruggebracht tot een fractie van de oorspronkelijke kosten, die samen met de snelheid van de sensortechnologie, efficiëntie, en veelzijdigheid moeten het eRapid-platform in staat stellen een onmiddellijke commerciële impact te hebben, ' zei Jollie.

Na het optimaliseren en karakteriseren van hun nanocomposietcoating in bindingsassays voor het inflammatoire cytokine interleukine 6, het team paste het toe op de diagnose van sepsis. Eigenlijk, door een antilichaammolecuul te hechten aan de coating die procalcitonine (PCT) bindt, en het toevoegen van een tweede PCT-specifiek antilichaam aan het complex dat is gekoppeld aan een enzym, een neerslag wordt gevormd uit een chemisch substraat en afgezet op de coating. Dit verandert de stroom van elektronen die de elektrode bereiken, en helpt bij het registreren van de PCT-bindingsgebeurtenis als een elektronisch signaal.

"We hebben aangetoond dat dit elektrochemische sensorelement PCT met hoge nauwkeurigheid in volbloed kan detecteren, en gevalideerd door PCT-niveaus te kwantificeren in 21 klinische monsters, direct te vergelijken met een conventionele ELISA-assay - met uitstekende correlatie, " zei eerste auteur Uroš Zupančič, die een gastonderzoeker was in de groep van Ingber van de Universiteit van Bath. Zupančič is een Ph.D. kandidaat begeleid door de co-auteurs van de studie, Despina Moschou, doctoraat, een docent aan de Universiteit van Bath, en Pedro Estrela, doctoraat, Universitair hoofddocent en hoofd van het Centrum voor Biosensoren, Bio-elektronica en biodevices aan de universiteit.

Het team breidde vervolgens hun benadering uit om gelijktijdig meerdere sepsis-biomarkers te detecteren door ook sensorelementen te ontwerpen voor C-reactief eiwit, een andere sepsis-biomarker, en pathogeen-geassocieerde moleculaire patronen (PAMP's). Met name het PAMP-sensorelement maakt gebruik van de breedspectrumtechnologie voor het vangen van pathogenen van het Wyss Institute, die gebruikmaakt van een genetisch gemanipuleerd eiwit genaamd FcMBL, die meer dan 100 verschillende pathogenen van alle klassen bindt, evenals moleculen op hun oppervlakken die vrijkomen in het bloed wanneer ziekteverwekkers worden gedood (PAMP's) en werken om de sepsiscascade te activeren.

"Het assembleren van drie speciale elektrochemische sensorelementen voor biomarkers die in enorm verschillende concentraties in het bloed op een enkele chip aanwezig kunnen zijn, vormde een grote uitdaging. de drie elementen in de uiteindelijke sensor vertoonden specifieke reacties binnen het klinisch significante bereik zonder elkaar te storen, en dat deden ze met een doorlooptijd van 51 minuten, die binnen het eerste uur voldoet aan de klinische behoefte aan sepsisdiagnose, " zei Zumpančič.

Om de huidige eRapid-technologie nog effectiever en bruikbaarder te maken voor klinische monsteranalyse, het team integreerde het met een microfluïdisch systeem dat het menselijke element weghaalt dat betrokken is bij het hanteren van de sensor in het laboratorium, en verhoogt het aantal biomarkerbindingsgebeurtenissen aan het oppervlak. Hierdoor kan de analyse van biomarkers met het systeem worden geautomatiseerd, en stelden de onderzoekers in staat de doorlooptijd voor het meten van PCT te verkorten tot 7 minuten.