Zoeken naar biomarkers die kunnen waarschuwen voor ziekten zoals kanker terwijl ze zich nog in hun vroegste stadium bevinden, wordt waarschijnlijk veel gemakkelijker dankzij een innovatieve biosensorchip die is ontwikkeld door onderzoekers van Stanford University.

De sensor is maximaal 1, 000 keer gevoeliger dan welke technologie dan ook die nu in klinisch gebruik wordt gebruikt, is nauwkeurig ongeacht welke lichaamsvloeistof wordt geanalyseerd en kan biomarker-eiwitten detecteren over een reeks concentraties die drie keer breder is dan welke bestaande methode dan ook, zeggen de onderzoekers.

De nanosensor-chip kan ook zoeken naar maximaal 64 verschillende eiwitten tegelijk en is effectief gebleken bij de vroege detectie van tumoren bij muizen, wat suggereert dat het de deur kan openen voor een aanzienlijk eerdere detectie van zelfs de meest ongrijpbare kankers bij mensen. De sensor kan ook worden gebruikt om markers van andere ziekten dan kanker te detecteren.

"In het vroege stadium [van een kanker], het niveau van de eiwitbiomarker in het bloed is zeer, heel laag, dus je hebt ultragevoelige technologie nodig om het te detecteren, " zei Shan Wang, hoogleraar materiaalkunde en techniek en elektrotechniek, en senior auteur van een paper waarin de sensor wordt beschreven, die online werd gepubliceerd op Natuurgeneeskunde 's website op 11 oktober. "Als je het vroeg kunt detecteren, je kunt vroeg ingrijpen en je hebt een veel betere kans om die persoon te genezen."

Wang zei dat de nanosensortechnologie artsen ook in staat zou kunnen stellen om snel te bepalen of een patiënt reageert op een bepaalde chemotherapiekuur. "We kunnen op dag twee of dag drie van de behandeling weten of het werkt of niet, in plaats van een maand of twee later, " hij zei.

De sensor die Wang en zijn collega's hebben gemaakt, die magnetische detectie-nanotechnologie gebruikt die ze eerder hadden ontwikkeld, kan een bepaalde kankergerelateerde eiwitbiomarker detecteren in een concentratie van slechts één deel op honderd miljard (of 30 moleculen in een kubieke millimeter bloed).

Hoewel de basis van de magnetische detectietechnologie die in de nieuwe biosensor wordt gebruikt vorig jaar werd beschreven in een paper in de Proceedings of the National Academy of Sciences, de nieuwe sensor is niet alleen meerdere ordes van grootte gevoeliger dan de vorige, het presteert ook beter dan zijn voorganger - en detectiemethoden die nu in gebruik zijn - op verschillende andere manieren.

Vroege detectie van tumoren bij muizen

De meest indrukwekkende prestatiewinst gedetailleerd in de Natuurgeneeskunde paper is dat de onderzoekers nu hebben aangetoond dat de magneto-nanosensor met succes kankertumoren bij muizen kan detecteren wanneer niveaus van met kanker geassocieerde eiwitten nog steeds ver onder de detecteerbare concentraties liggen met behulp van de huidige standaardmethodologie, bekend onder de afkorting ELISA.

"Dat is een cruciale bevinding voor ons omdat het zegt dat we in een realistische biologische toepassing - die van tumorgroei bij muizen - tumoren kunnen zien voordat iets anders ze had kunnen detecteren, " zei Sam Gambhir, hoogleraar radiologie aan de Stanford.

"Ik zou zeggen dat het PNAS-papier een proof of concept van de technologie is, en de Natuurgeneeskunde papier is een proof of concept van de technologie die werkt in een real-world applicatie, " zei hij. "Het is één ding om de technologie te laten zien dat het in principe kan werken; het is iets heel anders om het daadwerkelijk te gebruiken met echte muizenbloedmonsters van een echte muis die een echte tumor laat groeien."

In de Natuurgeneeskunde papier, laten de onderzoekers zien dat de nieuwe magneto-nanosensor een breed gevoeligheidsbereik heeft, van de eerder beschreven minieme hoeveelheid tot concentraties van zes ordes van grootte, of een miljoen keer, groter. De beste bestaande analysemethoden, of testen, bij klinisch gebruik zijn in staat eiwitten te detecteren in een concentratiebereik van maximaal twee ordes van grootte.

De meeste detectieplatforms die momenteel in gebruik zijn, zijn ook beperkt tot het uitvoeren van één enkele analyse tegelijk, maar omdat de magneto-nanosensoren zijn bevestigd aan een microchip in een reeks van 64 sensoren, die elk kunnen worden ingesteld om een ​​ander eiwit te detecteren, de onderzoekers kunnen tijdens een enkele analyse tot 64 verschillende eiwitten tegelijk zoeken, wat doorgaans een tot twee uur duurt - veel minder dan de meeste bestaande testen.

De onderzoekers toonden ook aan dat de sensor even effectief is in elke waarschijnlijke biologische vloeistof, of matrix, die een arts zou willen analyseren op met kanker geassocieerde eiwitten. Die vloeistoffen omvatten urine, speeksel, bloedplasma (bloed waarvan de bloedcellen zijn verwijderd), serum (bloedplasma waarvan de factoren die de stolling bevorderen zijn verwijderd) en cellysaten (de naam die wordt toegepast op de cellulaire stoofpot die wordt geproduceerd door het oplossen van cellen).

"Het idee dat je in wezen, op een enkel testplatform, het meten van een brede diversiteit aan biomoleculen die zich in zo'n breed concentratiebereik bevinden met zo'n gevoeligheid is echt, echt opmerkelijk, " zei Charles Drescher, een professor in de verloskunde en gynaecologie aan de Universiteit van Washington in Seattle, die niet bij het onderzoek betrokken was. "Ik denk dat we allemaal heel enthousiast zullen zijn als dit echt uitkomt."

De sleutel tot de veelzijdigheid van de magneto-nanosensor en het brede scala aan concentraties die hij kan detecteren, ligt in het gebruik van magnetisme.

Hoe magnetische nanotags de steengroeve onthullen

Het basismechanisme van detectie dat in de magneton-nanosensoren wordt gebruikt, is het vangen van antigenen - schadelijke verbindingen die door de kankercellen worden geproduceerd en uitgescheiden - met behulp van antilichamen die van nature de neiging hebben om zich aan de antigenen te binden. De antilichamen, genaamd "antilichamen vangen, " worden toegepast op een sensor, zodat wanneer de van belang zijnde matrix op de sensorchip wordt geplaatst, de juiste antigenen binden.

Terwijl de antigenen vastgehouden worden, nog een klodder van de antilichamen wordt aangebracht. Deze antilichamen worden aangetrokken door de antigenen op de sensoren, en door ze te binden, sluiten ze de antigenen effectief af in een antilichaamsandwich. De onderzoekers brengen vervolgens een wash aan met magnetische nanodeeltjestags die zijn afgestemd op specifieke antilichamen. De magnetische nanotags hechten zich aan het buitenste antilichaam op de sandwich, waar ze het magnetische omgevingsveld veranderen op een kleine maar duidelijke en detecteerbare manier die wordt waargenomen door de detector.

De eiwitdetectietesten die momenteel in gebruik zijn, zijn gebaseerd op een verscheidenheid aan mechanismen, zoals het meten van elektrische lading, fluorescerende signalen of pH, die allemaal gevoelig zijn voor interferentie van de biologische matrix waarin de gewenste eiwitten zich bevinden. Hoewel een bepaalde test prima kan zijn voor het bepalen van de concentratie van een eiwit in de urine, bijvoorbeeld, het kan slecht presteren wanneer het op een bloedmonster wordt aangebracht, aangezien verschillen in de samenstelling van de matrix eigenschappen zoals pH of elektrische lading beïnvloeden.

"Onze sensoren blijken nogal ongevoelig te zijn voor matrix, dus dat is een ander belangrijk element vanuit wetenschappelijk oogpunt, " zei Wang. Als voorbeeld, hij zei, "We weten dat in speeksel en bloed, ze hebben totaal verschillende pH-waarden en verschillende chemie, maar ze zijn allemaal niet-magnetisch. Magnetisch zijn ze net als lucht. Dus het interfereert niet met ons mechanisme [van detectie]."

De meeste assays die momenteel in gebruik zijn, zijn alleen in staat om eiwitten te detecteren in een nauw concentratiebereik voordat interferentie van een of andere soort de gevoeligheid van de assay aantast. Dat kan een reeks testen vereisen die moeten worden uitgevoerd op een monster dat is verdund tot verschillende sterktes, om een ​​compleet beeld te krijgen van de concentratie van een eiwit in de matrix. Maar nogmaals, met behulp van magnetische detectie, Wang en zijn collega's kunnen een dergelijke signaaldegradatie omzeilen.

"Met de hoge gevoeligheid en het brede bereik kunnen we kijken naar een groot panel van eiwitten over een breed scala aan concentraties, en met de matrix ongevoeligheid, we kunnen ze in verschillende vloeistoffen bekijken, " zei Richard Gaster, MD/PhD-kandidaat in bio-engineering en geneeskunde, en eerste auteur op de Natuurgeneeskunde papier. "We hoeven niet af te stemmen waar we kijken, we kunnen alles tegelijk bekijken." Dat levert tijdwinst op, die, zodra de sensor commercieel wordt gebruikt, zal zich ook vertalen in geldelijke besparingen.

Een ander voordeel van de technologie, Wang zei, is dat het gebruik maakt van bestaande technologie die al in gebruik is in de gegevensopslag- en halfgeleiderindustrieën en daarom, hij voegde toe, "Het kan relatief goedkoop gemaakt worden."

"Het is dezelfde sensor die u in een harde schijf gebruikt om een ​​harde schijf terug te lezen, "zei hij. "Zeer vergelijkbaar met dat."

Een van de volgende stappen in het onderzoek, Wang zei, is om de magneton-nanosensoren te testen op menselijke bloedmonsters die zijn genomen uit een langetermijnonderzoek waarin onderzoekers bloedmonsters namen van proefpersonen voordat bij een van hen de diagnose kanker werd gesteld. Hiertoe, het Stanford-team zal samenwerken met het Fred Hutchison Cancer Research Center in Seattle en de Canary Foundation, een non-profitorganisatie die zich richt op vroege diagnose van kanker.

"We kunnen onze technologie gebruiken om al deze monsters te bestuderen en we kunnen misschien een jaar voor of een half jaar voor of drie maanden voor de diagnose zeggen, " zei Wang. "Dat werk zal buitengewoon interessant zijn."

Bron:Stanford University (nieuws:web)