Verlangend naar een geneesmiddel voor kanker, HIV en andere ongeneeslijke ziekten, onderzoekers hebben al honderden medicijnen uitgeprobeerd, elk vereist preklinische en klinische tests met levende proefpersonen. Hoeveel meer chemische middelen om te proberen? In een dergelijk tempo, zullen we de remedie vinden tijdens ons leven?

Een van de gemakkelijkste manieren om het ontwikkelingsproces van geneesmiddelen te versnellen, is door het eenvoudig buiten het levende lichaam uit te voeren (bijv. door te kijken hoe de stoffen reageren met de kleinste monsters van levend weefsel en zo snel het algehele effect ervan in het lichaam te voorspellen). Deze aanpak zal uiteindelijk zorgen voor een effectievere preklinische selectie van kandidaat-geneesmiddelen voor langdurige en dure klinische onderzoeken. Dit zou de wetenschap dichter bij lang gezochte geneeswijzen kunnen brengen.

Onderzoekers van het Laboratorium voor Nanooptica en Plasmonics, Moscow Institute of Physics and Technology - MIPT (Rusland) heeft een nieuw type grafeenoxide (GO) biosensor ontwikkeld die het proces van medicijnontwikkeling mogelijk zou kunnen versnellen. De uitstekende eigenschappen van deze koolstofallotroop verbeteren de biosensinggevoeligheid aanzienlijk, die in de toekomst de ontwikkeling mogelijk kunnen maken van nieuwe medicijnen en vaccins tegen veel gevaarlijke ziekten, waaronder hiv, hepatitis en kanker. Het onderzoek, onder leiding van Joeri Stebunov, een wetenschapper aan het MIPT, werd gepubliceerd in de ACS toegepaste materialen en interfaces . Het artikel is getiteld "Hooggevoelige en selectieve sensorchips met grafeenoxide-verbindingslaag". Valentyn Volkov is de co-hoofdauteur, een gasthoogleraar van de Universiteit van Zuid-Denemarken. Andere co-auteurs zijn Olga Aftenieva en Aleksey Arsenin.

Nieuwe op GO gebaseerde biosensorchips maken gebruik van het fenomeen oppervlakteplasmonresonantie (SPR). Oppervlakteplasmonen zijn elektromagnetische golven die zich voortplanten langs een metaal-diëlektrische interface (bijv. goud/lucht) met amplitudes die exponentieel afnemen in het aangrenzende medium. Adsorptie van moleculen uit een oplossing op een detectieoppervlak verandert de brekingsindex van het medium nabij dit oppervlak en, daarom, verandert de voorwaarden van SPR. Deze sensoren kunnen de adsorptie van biomoleculen detecteren, zelfs bij een paar biljoensten van een gram per vierkante millimeter. Door deze eigenschappen SPR biosensing is een uitstekend platform om technologische vooruitgang op het gebied van geneeskunde en biotechnologie te stimuleren. Hoe dan ook, het meest onderscheidende kenmerk van dergelijke sensoren is het vermogen om moleculaire interacties in realtime te "visualiseren".

"SPR-biosensing is een waardevol hulpmiddel om een ​​breed scala aan biochemische reacties te onderzoeken, schatten hun chemische kinetiek en andere kenmerken. Dit alles kan efficiënt worden gebruikt voor het ontdekken en valideren van nieuwe geneesmiddelen. Een wijdverbreide introductie van deze methode in preklinische onderzoeken zal de farmaceutische industrie volledig veranderen. Met SPR-sensoren, we hoeven alleen de interactie tussen het medicijn en doelen op het detectieoppervlak te schatten, ' zei Stebunov.

De meeste commerciële SPR-sensorchips bestaan ​​uit een dunne glasplaat bedekt met een goudlaag met thiol- of polymeerlagen. De biogevoeligheid is afhankelijk van de eigenschappen van het chipoppervlak. Hogere bindingscapaciteit voor biomoleculen verhoogt de signaalniveaus en nauwkeurigheid van analyse. In de afgelopen jaren, nieuwe koolstofmaterialen zoals grafeen hebben veel aandacht getrokken vanwege hun grote oppervlak, goedkope fabricage, en interactie met een breed scala aan biomoleculen.

Stebunov en het team van het Laboratory of Nanooptics and Plasmonics bij MIPT hebben een nieuw type SPR-sensorchips met de GO-verbindingslaag gemaakt en gepatenteerd. Het materiaal heeft aantrekkelijkere optische en chemische eigenschappen dan ongerept grafeen. De GO "vlokken" werden afgezet op de 35 nm goudlaag, gevolgd door een laag streptavidine-eiwit voor selectieve immobilisatie van biomoleculen.

Wetenschappers voerden een reeks experimenten uit om de GO-chip te vergelijken, een in de handel verkrijgbare chip met een gecarboxymethyleerde dextran (CMD) laag, en een chip bedekt met monolaag grafeen. Experimenten toonden aan dat de voorgestelde GO-chip een drie keer hogere gevoeligheid heeft dan de CMD-chip en 3,7 keer dan de chip met ongerept grafeen. These results mean that the new chip needs fewer molecules for detecting a compound and can be used for analysis of chemical reactions with small drug molecules. An important advantage of the new GO-based sensor chips is their simplicity and low-cost fabrication compared to sensor chips that are already commercially available.

"Our invention will help in drug development against viral and cancer diseases. We are expecting that the pharmaceutical industry will express a strong demand for our technology, " Stebunov said.

"The sensor can also find applications in food quality control and toxin screening, and the sensor can significantly shorten the time for a clinical diagnostic, " researcher added. However, clinical trials with the chip are still needed for medical applications.