(PhysOrg.com) -- 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, nauwkeurig is, 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 zoekt ook 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. De onderzoekers publiceerden hun beschrijving van hun magnetische nanosensor in het tijdschrift Natuurgeneeskunde .

"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, doctoraat, van Stanford University en lid van het Center for Cancer Nanotechnology Excellence Focused on Therapy Response (Stanford CCNE). "Als je het vroeg kunt ontdekken, 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 van de National Academy of Sciences , de nieuwe sensor is niet alleen meerdere ordes van grootte gevoeliger dan de vorige, hij presteert ook beter dan zijn voorganger, evenals detectiemethoden die nu klinisch worden gebruikt, op verschillende andere manieren.

De meest indrukwekkende prestatiewinst die in de Nature Medicine-paper wordt beschreven, is dat de onderzoekers nu hebben aangetoond dat de magnetische nanosensor met succes kankertumoren bij muizen kan detecteren wanneer de niveaus van 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 Sanjiv Gambhir, MD, doctoraat, hoofdonderzoeker van de Stanford CCNE.

"Ik zou zeggen dat de [eerste paper] proof of concept van de technologie was, en de Nature Medicine-paper is een proof of concept van de technologie die werkt in een echte toepassing, " 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 Nature Medicine-paper, laten de onderzoekers zien dat de nieuwe magnetische nanosensor een breed gevoeligheidsbereik heeft, van deeltjes per miljard niveaus tot concentraties van zes ordes van grootte, of een miljoen keer, groter. De beste bestaande analysemethoden, of testen, bij klinisch gebruik kunnen eiwitten worden gedetecteerd in een concentratiebereik van ten hoogste twee ordes van grootte.

De meeste detectieplatforms die momenteel in gebruik zijn, zijn ook beperkt tot het uitvoeren van één enkele analyse tegelijk. Om een ​​multiplex-assay te maken, Wang en zijn collega's bevestigden de magnetische nanosensoren aan een microchip in een reeks van 64 sensoren, die elk kunnen worden ingesteld om een ​​ander eiwit te detecteren. Als resultaat, de onderzoekers kunnen in één analyse tegelijk naar tientallen verschillende eiwitten zoeken. De nieuwe methode is ook sneller dan standaard ELISA-assays, met resultaten die doorgaans binnen één tot twee uur beschikbaar zijn.

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).

De sleutel tot de veelzijdigheid van de magnetische nanosensor en het brede scala aan concentraties die hij kan detecteren, ligt in het gebruik van magnetisme en het brede scala aan ultragevoelige magnetische detectoren die zijn ontwikkeld voor de computerindustrie. Het basisdetectiemechanisme dat in de magnetische nanosensoren wordt gebruikt, is het vastleggen van eiwitten en ziektemarkers met behulp van antilichamen die van nature de neiging hebben om aan deze moleculen te binden, bekend als antigenen. 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 antistoffen wordt aangebracht. Deze antilichamen worden aangetrokken door een ander moleculair gebied van de antigenen die op de sensoren worden vastgehouden, en wanneer de tweede set antilichamen aan antigenen bindt, ze sluiten ze 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.

Een ander voordeel van de technologie, Wang zei, is dat het gebruik maakt van bestaande technologie die al wordt gebruikt in de gegevensopslag- en halfgeleiderindustrie. Daarom, "Het kan relatief goedkoop worden gemaakt. Het lijkt [zeer op] dezelfde sensor die u in een harde schijf gebruikt om een ​​harde schijf terug te lezen, " hij zei.

Een van de volgende stappen in het onderzoek, Wang zei, is om de magnetische nanosensoren te testen op menselijke bloedmonsters die zijn genomen uit een langetermijnonderzoek waarin onderzoekers bloed hebben afgenomen 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.

Dit werk, die gedetailleerd wordt beschreven in een document met de titel, "Matrix-ongevoelige eiwittesten verleggen de grenzen van biosensoren in de geneeskunde, " werd ondersteund door de NCI Alliance for Nanotechnology in Cancer, een alomvattend initiatief dat is ontworpen om de toepassing van nanotechnologie op de preventie te versnellen, diagnose, en behandeling van kanker. Onderzoekers van MagArray Inc., ook deelgenomen aan dit onderzoek. Een samenvatting van dit artikel is beschikbaar op de website van het tijdschrift.

Aangeboden door National Cancer Institute (nieuws:web)