Stanford-onderzoekers hebben een nieuwe biosensor-microchip ontwikkeld die het proces van medicijnontwikkeling aanzienlijk zou kunnen versnellen. de microchips, boordevol zeer gevoelige "nanosensoren, " analyseren hoe eiwitten aan elkaar binden, een cruciale stap voor het evalueren van de effectiviteit en mogelijke bijwerkingen van een mogelijk medicijn.

Een enkele centimeter grote reeks nanosensoren kan gelijktijdig en continu duizenden keren meer eiwitbindingsgebeurtenissen volgen dan welke bestaande sensor dan ook. De nieuwe sensor is ook in staat om interacties met een grotere gevoeligheid te detecteren en de resultaten aanzienlijk sneller te leveren dan de huidige "gouden standaard"-methode.

"Je kunt er duizenden passen, zelfs tienduizenden, van verschillende interessante eiwitten op dezelfde chip en voer de eiwitbindingsexperimenten in één keer uit, " zei Shan Wang, een professor in materiaalkunde en techniek, en van elektrotechniek, die het onderzoek leidde.

"In theorie, in één proef, je zou kunnen kijken naar de affiniteit van een medicijn voor elk eiwit in het menselijk lichaam, " zei Richard Gaster, MD/PhD-kandidaat in bio-engineering en geneeskunde, wie is de eerste auteur van een paper waarin het onderzoek wordt beschreven dat deze maand online is gepubliceerd door Natuur Nanotechnologie .

De kracht van de nanosensor-array ligt in twee ontwikkelingen. Eerst, het gebruik van magnetische nanotags die aan het te onderzoeken eiwit zijn bevestigd, zoals een medicijn, verhoogt de gevoeligheid van de monitoring enorm.

Tweede, een analytisch model dat de onderzoekers ontwikkelden, stelt hen in staat om het uiteindelijke resultaat van een interactie nauwkeurig te voorspellen op basis van slechts een paar minuten aan monitoringgegevens. De huidige technieken bewaken doorgaans niet meer dan vier gelijktijdige interacties en het proces kan uren duren.

"Ik denk dat hun technologie het potentieel heeft om een ​​revolutie teweeg te brengen in de manier waarop we bioassays doen, " zei P.J. Utz, universitair hoofddocent geneeskunde (immunologie en reumatologie) aan het Stanford University Medical Center, die niet bij het onderzoek betrokken was.

Leden van Wang's onderzoeksgroep ontwikkelden de magnetische nanosensortechnologie enkele jaren geleden en demonstreerden de gevoeligheid ervan in experimenten waarin ze aantoonden dat het een met kanker geassocieerde eiwitbiomarker in muizenbloed kon detecteren in een duizendste van de concentratie die commercieel beschikbare technieken konden detecteren. Dat onderzoek werd beschreven in een paper uit 2009 in Natuurgeneeskunde .

De onderzoekers passen de nanotags aan om zich te hechten aan het specifieke eiwit dat wordt bestudeerd. Wanneer een met nanotag uitgerust eiwit bindt met een ander eiwit dat aan een nanosensor is bevestigd, de magnetische nanotag verandert het magnetische omgevingsveld rond de nanosensor op een kleine maar duidelijke manier die door de detector wordt waargenomen.

"Laten we zeggen dat we kijken naar een medicijn tegen borstkanker, " zei Gaster. "Het doel van het medicijn is om zo sterk mogelijk te binden aan het doeleiwit op de borstkankercellen. Maar we willen ook weten:hoe sterk bindt dat medicijn zich op afwijkende wijze aan andere eiwitten in het lichaam?"

Om dat te bepalen, de onderzoekers zouden borstkanker-eiwitten op de nanosensor-array plaatsen, samen met eiwitten uit de lever, longen, nieren en elk ander soort weefsel waar ze zich zorgen over maken. Dan zouden ze het medicijn met de magnetische nanotags eraan toevoegen en zien aan welke eiwitten het medicijn bindt - en hoe sterk.

"We kunnen zien hoe sterk het medicijn bindt aan borstkankercellen en dan ook hoe sterk het bindt aan andere cellen in het menselijk lichaam, zoals je lever, nieren en hersenen, " zei Gaster. "Dus we kunnen beginnen met het voorspellen van de nadelige effecten van dit medicijn zonder het ooit bij een menselijke patiënt te plaatsen."

Het is de verhoogde gevoeligheid voor detectie die wordt geleverd met de magnetische nanotags die Gaster en Wang in staat stellen niet alleen te bepalen wanneer een binding wordt gevormd, maar ook zijn kracht.

"De snelheid waarmee een eiwit bindt en vrijgeeft, vertelt hoe sterk de band is, " zei Gaster. Dat kan een belangrijke factor zijn bij tal van medicijnen.

"Ik ben verbaasd over de gevoeligheid die ze bereikten, Utz zei. "Ze detecteren in de orde van grootte van 10 tot 1, 000 moleculen en dat is voor mij nogal verrassend."

De nanosensor is gebaseerd op hetzelfde type sensor dat wordt gebruikt in harde schijven van computers, zei Wang.

"Omdat onze chip volledig is gebaseerd op bestaande micro-elektronicatechnologie en -procedures, het aantal sensoren per gebied is zeer schaalbaar tegen zeer lage kosten, " hij zei.

Hoewel de chips die zijn gebruikt in het werk dat wordt beschreven in de Natuur Nanotechnologie papier had iets meer dan 1, 000 sensoren per vierkante centimeter, Wang zei dat het geen probleem zou moeten zijn om tienduizenden sensoren op dezelfde footprint te plaatsen.

"Het kan worden opgeschaald tot meer dan 100, 000 sensoren per centimeter, zonder zelfs maar de technologische grenzen in de micro-elektronica-industrie te verleggen, " hij zei.

Wang zei dat hij een mooie toekomst ziet voor steeds krachtigere nanosensor-arrays, aangezien de technologische infrastructuur voor het maken van dergelijke nanosensorarrays vandaag aanwezig is.

"De volgende stap is om deze technologie te koppelen aan een specifiek medicijn dat in ontwikkeling is, Wang zei. "Dat zal de echt killer toepassing van deze technologie zijn."