De multi-welled microplaat, lang een standaardinstrument in biomedisch onderzoek en diagnostische laboratoria, zou tot het verleden kunnen behoren dankzij nieuwe elektronische biosensing-technologie die is ontwikkeld door een team van micro-elektronica-ingenieurs en biomedische wetenschappers van het Georgia Institute of Technology.

In wezen arrays van kleine reageerbuisjes, microplaten worden al tientallen jaren gebruikt om meerdere monsters tegelijkertijd te testen op hun reacties op chemicaliën, levende organismen of antilichamen. Fluorescentie- of kleurveranderingen in labels geassocieerd met verbindingen op de platen kunnen de aanwezigheid van bepaalde eiwitten of gensequenties signaleren.

De onderzoekers hopen deze microplaten te vervangen door moderne micro-elektronicatechnologie, inclusief wegwerparrays met duizenden elektronische sensoren die zijn aangesloten op krachtige signaalverwerkingscircuits. Als ze succesvol zijn, dit nieuwe elektronische biosensing-platform zou kunnen helpen de droom van gepersonaliseerde geneeskunde te realiseren door realtime diagnose van ziekten mogelijk te maken - mogelijk in het kantoor van een arts - en door te helpen bij het selecteren van geïndividualiseerde therapeutische benaderingen.

“Deze technologie kan een nieuw tijdperk van gepersonaliseerde geneeskunde mogelijk maken, ', zei John Mcdonald, hoofdonderzoeker aan het Ovarian Cancer Institute in Atlanta en een professor aan de Georgia Tech School of Biology. "Een apparaat als dit zou bij individuen snel de genmutaties kunnen detecteren die indicatief zijn voor kanker en vervolgens bepalen wat de optimale behandeling zou zijn. Daar zijn veel potentiële toepassingen voor die met de huidige analytische en diagnostische technologie niet mogelijk zijn.”

Fundamenteel voor het nieuwe biosensing-systeem is het vermogen om elektronisch markers te detecteren die onderscheid maken tussen gezonde en zieke cellen. Deze markers kunnen verschillen in eiwitten zijn, mutaties in DNA of zelfs specifieke niveaus van ionen die in verschillende hoeveelheden in kankercellen voorkomen. Onderzoekers vinden steeds meer van dit soort verschillen die kunnen worden benut om snelle en goedkope elektronische detectietechnieken te creëren die niet afhankelijk zijn van conventionele labels.

"We hebben verschillende nieuwe stukjes nano-elektronicatechnologie samengesteld om een ​​methode te creëren om dingen op een heel andere manier te doen dan wat we tot nu toe deden, " zei Muhannad Bakir, een universitair hoofddocent aan de Georgia Tech's School of Electrical and Computer Engineering. “Wat we creëren is een nieuw detectieplatform voor algemene doeleinden dat gebruik maakt van het beste van nano-elektronica en driedimensionale elektronische systeemintegratie om de oude microplaattoepassing te moderniseren en nieuwe toepassingen toe te voegen. Dit is een huwelijk tussen elektronica en moleculaire biologie.”

De driedimensionale sensorarrays worden vervaardigd met behulp van conventionele, goedkope, top-down micro-elektronicatechnologie. Hoewel bestaande monstervoorbereidings- en laadsystemen mogelijk moeten worden aangepast, de nieuwe biosensorarrays moeten compatibel zijn met bestaande werkstromen in onderzoeks- en diagnostische laboratoria.

"We willen deze apparaten eenvoudig te vervaardigen maken door te profiteren van alle vooruitgang die is geboekt in de micro-elektronica, terwijl tegelijkertijd de bruikbaarheid voor de clinicus of onderzoeker niet significant verandert, " zei Ramasamy Ravindran, een afgestudeerde onderzoeksassistent in het Nanotechnology Research Center van Georgia Tech en de School of Electrical and Computer Engineering.

Een belangrijk voordeel van het platform is dat sensing wordt gedaan met behulp van goedkope, beschikbare componenten, terwijl de informatieverwerking zal worden gedaan door herbruikbare conventionele geïntegreerde schakelingen die tijdelijk op de array zijn aangesloten. Veerachtige mechanisch compatibele connectoren met ultrahoge dichtheid en geavanceerde "door-siliciumvia's" zullen de elektrische verbindingen maken, terwijl technici de biosensorarrays kunnen vervangen zonder de onderliggende circuits te beschadigen.

Door de detectie- en verwerkingsgedeelten te scheiden, kan de fabricage worden geoptimaliseerd voor elk type apparaat, merkt Hyung Suk Yang op, een afgestudeerde onderzoeksassistent die ook werkt in het Nanotechnology Research Center. Zonder de scheiding, de soorten materialen en processen die kunnen worden gebruikt om de sensoren te fabriceren, zijn ernstig beperkt.

De gevoeligheid van de kleine elektronische sensoren kan vaak groter zijn dan de huidige systemen, waardoor ziekten eerder kunnen worden opgespoord. Omdat de monsterputjes aanzienlijk kleiner zullen zijn dan die van de huidige microplaten - waardoor een kleinere vormfactor mogelijk is - kunnen er meer tests worden uitgevoerd met een bepaald monstervolume.

De technologie zou ook het gebruik van op liganden gebaseerde detectie kunnen vergemakkelijken die specifieke genetische sequenties in DNA of boodschapper-RNA herkent. "Dit zou ons heel snel een indicatie geven van de eiwitten die door die patiënt tot expressie worden gebracht, die ons kennis geeft van de ziektetoestand op het punt van zorg, " legde Ken Scarberry uit, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van McDonald's.

Tot dusver, de onderzoekers hebben een biosensing-systeem gedemonstreerd met silicium nanodraadsensoren in een apparaat met 16 putjes gebouwd op een chip van één centimeter bij één centimeter. De nanodraden, slechts 50 bij 70 nanometer, gedifferentieerd tussen eierstokkankercellen en gezonde eierstokepitheelcellen bij verschillende celdichtheden.

Silicium nanodraad sensortechnologie kan worden gebruikt om gelijktijdig grote aantallen verschillende cellen en biomaterialen zonder labels te detecteren. Naast die veelzijdige technologie, het biosensing-platform kan een breed scala aan andere sensoren huisvesten - inclusief technologieën die misschien nog niet bestaan. uiteindelijk, honderdduizenden verschillende sensoren kunnen op elke chip worden opgenomen, genoeg om snel markers voor een breed scala aan ziekten te detecteren.

“Ons platformidee is echt sensor-agnostisch, ' zei Ravindran. "Het kan worden gebruikt met veel verschillende sensoren die mensen ontwikkelen. Het zou ons de mogelijkheid bieden om veel verschillende soorten sensoren in één chip samen te brengen.”

Genetische mutaties kunnen leiden tot een groot aantal verschillende ziektetoestanden die de reactie van een patiënt op ziekte of medicatie kunnen beïnvloeden, maar de huidige gelabelde detectiemethoden zijn beperkt in hun vermogen om grote aantallen verschillende markers tegelijkertijd te detecteren.

In kaart brengen van single nucleotide polymorphisms (SNP's), variaties die goed zijn voor ongeveer 90 procent van de menselijke genetische variatie, kan worden gebruikt om de neiging van een patiënt voor een ziekte te bepalen, of de kans dat ze baat hebben bij een bepaalde interventie. De nieuwe biosensing-technologie zou zorgverleners in staat kunnen stellen om SNP-kaarten op het zorgpunt te produceren en te analyseren.

Hoewel er nog veel technische uitdagingen zijn, de mogelijkheid om in realtime te screenen op duizenden ziektemarkers heeft biomedische wetenschappers zoals McDonald enthousiast gemaakt.

“Met genoeg sensoren erin, je zou in theorie alle mogelijke combinaties op de array kunnen zetten, " hij zei. “Dit werd tot nu toe niet voor mogelijk gehouden omdat het waarschijnlijk niet haalbaar is om een ​​array te maken die groot genoeg is om ze allemaal te detecteren met de huidige technologie. Maar met micro-elektronicatechnologie, u kunt eenvoudig alle mogelijke combinaties opnemen, en dat verandert de zaak.”

Papers die het biosensing-apparaat beschrijven, werden gepresenteerd op de Electronic Components and Technology Conference en de International Interconnect Technology-conferentie in juni 2010.