Een laboratoriumtest die wordt gebruikt om ziekten op te sporen en biologisch onderzoek uit te voeren, zou meer dan 3 miljoen keer gevoeliger kunnen worden gemaakt, volgens onderzoekers die standaard biologische hulpmiddelen combineerden met een doorbraak in nanotechnologie.

De verbeterde prestaties kunnen de vroege detectie van kanker aanzienlijk verbeteren, de ziekte van Alzheimer en andere aandoeningen door artsen in staat te stellen veel lagere concentraties van veelbetekenende markers te detecteren dan voorheen praktisch was.

De doorbraak omvat een algemene biologische test, een immunoassay genaamd, die de werking van het immuunsysteem nabootst om de aanwezigheid van biomarkers te detecteren - de chemicaliën die worden geassocieerd met ziekten. Wanneer biomarkers aanwezig zijn in monsters, zoals die van mensen, de immunoassay-test produceert een fluorescerende gloed (licht) die in een laboratorium kan worden gemeten. Hoe groter de gloed, hoe meer van de biomarker aanwezig is. Echter, als de hoeveelheid biomarker te klein is, het fluorescerende licht is te zwak om te worden gedetecteerd, het instellen van de detectielimiet. Een belangrijk doel van immunoassay-onderzoek is het verbeteren van de detectielimiet.

De Princeton-onderzoekers pakten deze beperking aan door nanotechnologie te gebruiken om de zwakke fluorescentie van een monster sterk te versterken. Door glas- en goudstructuren zo klein te maken dat ze alleen konden worden gezien met een krachtige elektronenmicroscoop, de wetenschappers waren in staat om het fluorescentiesignaal drastisch te verhogen in vergelijking met conventionele immunoassays, wat leidt tot een 3-miljoen-voudige verbetering van de detectielimiet. Dat is, de verbeterde immunoassay zou 3 miljoen keer minder biomarkers nodig hebben in vergelijking met een conventionele immunoassay. (In technische termen, de onderzoekers maten een verbetering in de detectielimiet van 0,9 nanomolair naar 300 attomolair.)

"Deze vooruitgang opent veel nieuwe en opwindende mogelijkheden voor immunoassays en andere detectoren, evenals bij de vroege opsporing en behandeling van ziekten, " zei Stephen Chou, de Joseph C. Elgin hoogleraar techniek, die het onderzoeksteam leidde. "Verder, de nieuwe test is zeer gebruiksvriendelijk, aangezien voor de persoon die de test uitvoert, er zal geen verschil zijn met de oude - ze doen de procedure op precies dezelfde manier."

De onderzoekers publiceerden hun resultaten in twee recente tijdschriftartikelen. Een, gepubliceerd op 10 mei in Nanotechnologie, beschrijft de fysica en techniek van het fluorescentieversterkende materiaal. De andere, gepubliceerd op 20 april in Analytical Chemistry, demonstreert het effect in immunoassays. Naast Cho, de auteurs zijn onder meer postdoctorale onderzoekers Weihua Zhang, Liangcheng Zhou en Jonathan Hu en afgestudeerde studenten Fei Ding, Wei Ding, Wen-Di Li en Yuxuan Wang.

Het werk werd gefinancierd door het Defense Advanced Research Project Agency en de National Science Foundation.

De sleutel tot de doorbraak ligt in een nieuw kunstmatig nanomateriaal genaamd D2PA, die al enkele jaren in ontwikkeling is in het laboratorium van Chou. D2PA is een dunne laag gouden nanostructuren omgeven door glazen pilaren met een diameter van slechts 60 nanometer. (Een nanometer is een miljardste van een meter; dat betekent ongeveer 1, 000 van de naast elkaar gelegde pilaren zouden zo breed zijn als een mensenhaar.) De pilaren hebben een onderlinge afstand van 200 nanometer en zijn afgedekt met een schijf van goud op elke pilaar. De zijkanten van elke pilaar zijn gespikkeld met nog kleinere gouden stippen met een diameter van ongeveer 10 tot 15 nanometer. In eerder werk, Chou heeft aangetoond dat deze unieke structuur de verzameling en transmissie van licht op ongebruikelijke manieren stimuleert - in het bijzonder, een 1 miljard-voudige toename van een effect dat Raman-verstrooiing op het oppervlak wordt genoemd. Het huidige werk demonstreert nu een gigantische signaalverbetering met fluorescentie.

In een typische immunoassay, een monster zoals bloed, speeksel of urine wordt van een patiënt afgenomen en toegevoegd aan kleine glazen injectieflacons die antilichamen bevatten die zijn ontworpen om biomarkers die van belang zijn in het monster te "vangen" of eraan te binden. Een andere set antilichamen die zijn gelabeld met een fluorescerend molecuul, wordt vervolgens aan de mix toegevoegd. Als de biomarkers niet aanwezig zijn in de injectieflacons, de fluorescerende detectie-antilichamen hechten zich nergens aan en worden weggespoeld. De nieuwe technologie die in Princeton is ontwikkeld, maakt het mogelijk de fluorescentie te zien wanneer maar heel weinig antilichamen hun merkteken vinden.

Naast diagnostische toepassingen, immunoassays worden vaak gebruikt bij het ontdekken van geneesmiddelen en ander biologisch onderzoek. Algemener, fluorescentie speelt een belangrijke rol op andere gebieden van chemie en techniek, van lichtgevende displays tot het oogsten van zonne-energie, en het D2PA-materiaal kan op die gebieden worden gebruikt, zei Cho.

Als volgende stappen in zijn onderzoek, Chou zei dat hij tests uitvoert om de gevoeligheid van de D2PA-versterkte immunoassay te vergelijken met een conventionele immunoassay bij het opsporen van borst- en prostaatkanker. Daarnaast werkt hij samen met onderzoekers van het Memorial Sloan-Kettering Cancer Center in New York om tests te ontwikkelen om eiwitten geassocieerd met de ziekte van Alzheimer in een zeer vroeg stadium op te sporen.

"Je kunt met onze aanpak heel vroeg worden ontdekt, " hij zei.