(Phys.org) — Vroege diagnose is van cruciaal belang bij de behandeling van de ziekte van Lyme. Echter, bijna een kwart van de patiënten met de ziekte van Lyme krijgt aanvankelijk een verkeerde diagnose omdat de momenteel beschikbare serologische tests een slechte gevoeligheid en specificiteit hebben tijdens de vroege stadia van infectie. Patiënten met een verkeerde diagnose kunnen onbehandeld blijven en zo overgaan tot de ziekte van Lyme in een laat stadium, waar ze te maken krijgen met langere en meer ingrijpende behandelingen, evenals aanhoudende symptomen.

Bestaande tests beoordelen de aanwezigheid van antilichamen tegen bacteriële eiwitten, die na de eerste infectie weken nodig hebben om zich te vormen en aanhouden nadat de infectie is verdwenen. Nutsvoorzieningen, een op nanotechnologie geïnspireerde techniek ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit van Pennsylvania kan leiden tot diagnostiek die het organisme zelf kan detecteren.

De studie werd geleid door professor A.T. Charlie Johnson van de afdeling Natuur- en Sterrenkunde van Penn's School of Arts and Sciences, samen met afgestudeerde student Mitchell Lerner, niet-gegradueerde onderzoeker Jennifer Dailey en postdoctoraal onderzoeker Brett R. Goldsmith, allemaal natuurkunde. Ze werkten samen met Dustin Brisson, een assistent-professor biologie die het team expertise over de bacterie heeft gegeven.

Hun onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift Biosensoren en bio-elektronica .

"Als je in eerste instantie besmet bent met de bacterie van de ziekte van Lyme, u ontwikkelt gedurende vele dagen tot enkele weken geen antistoffen, Johnson zei. "Veel mensen zien hun arts voordat zich antilichamen ontwikkelen, leiden tot negatieve serologische testresultaten. En na een eerste infectie, je zult nog steeds deze antilichamen hebben, dus het gebruik van deze serologische diagnostiek zal niet duidelijk maken of je nog steeds besmet bent of niet nadat je bent behandeld met antibiotica."

Het idee van het onderzoeksteam was om het proces om te draaien, met behulp van in het laboratorium geproduceerde antilichamen om de aanwezigheid van eiwitten uit het organisme te detecteren. Dit is een uitbreiding van eerder werk dat Johnson's lab heeft gedaan om andere biologische structuren te verbinden, zoals reukreceptoren en DNA, tot op koolstof nanobuisjes gebaseerde apparaten.

Koolstof nanobuisjes, opgerolde roosters van koolstofatomen, zijn zeer geleidend en gevoelig voor elektrische lading, waardoor ze veelbelovende componenten van elektronische apparaten op nanoschaal zijn. Door verschillende biologische structuren aan de buitenkant van de nanobuisjes te bevestigen, ze kunnen functioneren als zeer specifieke biosensoren. Wanneer de aangehechte structuur bindt aan een molecuul, de lading van dat molecuul kan de elektrische geleiding van de nanobuis beïnvloeden, die deel kan uitmaken van een elektrisch circuit zoals een draad. Zo'n apparaat kan dus een elektronische uitlezing geven van de aanwezigheid, of zelfs concentratie, van een bepaald molecuul.

Om het elektrische signaal uit deze nanobuisjes te halen, het team veranderde ze eerst in transistorapparaten.

"We laten deze nanobuisjes eerst groeien op wat neerkomt op een grote chip met behulp van een dampdepositiemethode, maak vervolgens in wezen willekeurig elektrische verbindingen, Johnson zei. "Dan breken we de chip af en testen alle individuele nanobuistransistors om te zien welke het beste werken."

In hun recente experiment, Het team van Johnson bevestigde aan deze nanobuistransistors antilichamen die zich van nature ontwikkelen bij de meeste dieren die besmet zijn met de bacterie van de ziekte van Lyme. Deze antilichamen binden van nature aan een antigeen, in dit geval, een eiwit in de Lyme-bacterie, als onderdeel van de immuunrespons van het lichaam.

"We hebben een chemisch proces waarmee we elk eiwit kunnen verbinden met koolstofnanobuisjes. Nanobuisjes zijn zeer stabiel, dus we hebben een zeer reactieve verbinding die zich bindt aan de nanobuis en aan het andere uiteinde ook een carbonzuurgroep heeft. Voor biochemici, het is op dit moment kinderspel om elke vorm van eiwit te laten binden aan een carbonzuurgroep, en we hebben met hen samengewerkt om te leren hoe we deze chemie op de zijwand van nanobuisjes kunnen uitvoeren. "

Na het gebruik van atoomkrachtmicroscopie om aan te tonen dat antilichamen inderdaad aan de buitenkant van hun nanobuistransistors waren gebonden, de onderzoekers testten ze elektrisch om een ​​baselinewaarde te krijgen. Vervolgens stopten ze de nanobuisjes in oplossingen die verschillende concentraties van het beoogde Lyme-bacterie-eiwit bevatten.

"Als we de oplossing wegspoelen en de nanobuistransistors opnieuw testen, de verandering in wat we meten vertelt ons dat hoeveel van het antigeen is gebonden, Johnson zei. "En we zien de relatie die we verwachten te zien, dat hoe meer antigeen er in de oplossing zat, hoe groter de verandering in het signaal."

De kleinste concentratie die de nanobuisjes konden detecteren was vier nanogram eiwit per milliliter oplossing.

"Deze gevoeligheid is meer dan voldoende om de bacterie van de ziekte van Lyme op te sporen in het bloed van recent geïnfecteerde patiënten en kan voldoende zijn om de bacterie op te sporen in vloeistoffen van patiënten die onvoldoende zijn behandeld, ' zei Brisson.

"We willen echt dat het eiwit dat we willen detecteren zo dicht mogelijk bij de nanobuis bindt, want dat is wat de sterkte van het elektrische signaal verhoogt, Johnson zei. "Het ontwikkelen van een kleinere, een minimale versie van het antilichaam - wat we een variabel fragment met een enkele keten noemen - zou een volgende stap zijn.

"Op basis van ons eerdere werk met variabele fragmenten van een enkele keten van andere antilichamen, dit zou zo'n apparaat waarschijnlijk ongeveer duizend keer gevoeliger maken."

De onderzoekers suggereerden dat, gezien de flexibiliteit van hun techniek voor het bevestigen van verschillende biologische structuren, uiteindelijke diagnostische hulpmiddelen kunnen meerdere antilichamen bevatten, die elk een ander eiwit van de Lyme-bacterie detecteren. Een dergelijke opzet zou de nauwkeurigheid verbeteren en de kans op fout-positieve diagnoses verkleinen.

"Als we nu dit soort tests op iemands bloed zouden doen, echter, we zouden zeggen dat de persoon de ziekte heeft, Johnson zei. "De eerste gedachte is dat als je een eiwit van het Lyme-organisme in je bloed ontdekt, je bent besmet en moet meteen behandeld worden."