Het Moscow Institute of Physics and Technology (MIPT) patenteert biosensorchips op basis van grafeen, grafeenoxide en koolstofnanobuizen die de analyse van biochemische reacties zullen verbeteren en de ontwikkeling van nieuwe geneesmiddelen zullen versnellen.

Het US Patent Office heeft onlangs de octrooiaanvraag gepubliceerd (nr. US 2015/0301039), die in mei van dit jaar door de MIPT werd ingediend en de titel "Biologische sensor en een methode voor de productie van biologische sensoren" draagt. In Rusland, deze ontwikkeling is al beschermd door het octrooi nr. 2527699 met een prioriteitsdatum van 20 februari, 2013. Het belangrijkste kenmerk van de sensor is het gebruik van een verbindingslaag voor immobilisatie van biomoleculen die bestaat uit een dunne film van grafeen of grafeenoxide.

Grafeen is het eerste echt tweedimensionale kristal, die experimenteel werd verkregen en onderzocht met betrekking tot zijn unieke chemische en fysische eigenschappen. In 2010, twee MIPT-alumni, Andre Geim en Konstantin Novoselov, kregen de Nobelprijs voor de natuurkunde "voor baanbrekende experimenten met betrekking tot het tweedimensionale materiaal grafeen". Er is nu een aanzienlijke toename van het aantal onderzoeken gericht op het vinden van commerciële toepassingen voor grafeen en andere tweedimensionale materialen. Een van de meest veelbelovende toepassingen voor grafeen wordt beschouwd als biomedische technologieën, dat is wat onderzoekers van het Laboratory of Nanooptics and Plasmonics van het Centre of Excellence for Nanoscale Optoelectronics van het MIPT momenteel onderzoeken.

Labelvrije biosensoren zijn relatief nieuw in biochemische en farmaceutische laboratoria, en hebben het werk veel gemakkelijker gemaakt. Met de sensoren kunnen onderzoekers lage concentraties van biologisch significante moleculaire stoffen (RNA, DNA, eiwitten, inclusief antilichamen en antigenen, virussen en bacteriën) en bestuderen hun chemische eigenschappen. In tegenstelling tot andere biochemische methoden, fluorescerende of radioactieve labels zijn niet nodig voor deze biosensoren, wat het gemakkelijker maakt om een ​​experiment uit te voeren, en vermindert ook de kans op foutieve gegevens vanwege de effecten die labels hebben op biochemische reacties. De belangrijkste toepassingen van deze technologie zijn in farmaceutisch en wetenschappelijk onderzoek, medische diagnostiek, voedselkwaliteitscontrole en de detectie van toxines. Labelvrije biosensoren hebben zichzelf al bewezen als een methode om de meest betrouwbare gegevens over de farmacokinetiek en farmacodynamiek van geneesmiddelen te verkrijgen in preklinische studies. De voordelen van deze methode worden verklaard door het feit dat de kinetiek van de biochemische reacties van de ligand (actieve stof) met verschillende doelen in realtime kan worden waargenomen, waarmee onderzoekers nauwkeurigere gegevens over de reactiesnelheden kunnen verkrijgen, wat voorheen niet mogelijk was. De verkregen gegevens geven informatie over de werkzaamheid van een geneesmiddel en ook over de toxiciteit ervan, als de doelen "gezonde" cellen of hun onderdelen zijn, die het medicijn, ideaal, niet mogen beïnvloeden.

De meeste labelvrije biosensoren zijn gebaseerd op het gebruik van oppervlakteplasmonresonantie (SPR) spectroscopie. De "resonantie"-parameters zijn zo afhankelijk van de oppervlakte-eigenschappen dat zelfs sporen van "vreemde" stoffen deze aanzienlijk kunnen beïnvloeden. Biosensoren kunnen een biljoenste gram van een detecteerbare stof detecteren in een gebied van één vierkante millimeter.

Commerciële apparaten van dit type worden verkocht in een formaat dat vergelijkbaar is met het "scheermesje"-bedrijfsmodel, waaronder een instrument en zeer dure verbruiksartikelen. Het instrument is de biosensor zelf, bestaande uit optica, microfluïdica en elektronica. De verbruiksartikelen voor biosensoren zijn sensorchips die bestaan ​​uit een glazen substraat, dunne goudfilm en een verbindingslaag voor de adsorptie van biomoleculen. Sensorchips gebruiken momenteel twee soorten verbindingslaagtechnologie die meer dan 20 jaar geleden zijn ontwikkeld en zijn gebaseerd op een laag zelf-geassembleerde thiolmoleculen, of een laag hydrogel (meestal carboxymethyldextraan). De winst die bedrijven hebben behaald met de verkoop van biosensoren en verbruiksartikelen wordt gelijkmatig verdeeld in een verhouding van 50:50.

De auteurs van het octrooi, Aleksej Arsenin en Joeri Stebunov, stellen een alternatief voor voor bestaande sensorchips voor biosensoren op basis van oppervlakteplasmonresonantie. Onder bepaalde omstandigheden, het gebruik van grafeen of grafeenoxide als verbindingslaag tussen metaalfilm en een biologische laag bestaande uit molecuuldoelen kan de gevoeligheid van biodetectie aanzienlijk verbeteren. De grafeensensorchips zijn getest op biosensoren van Biacore T200 (General Electric Company) en BiOptix 104sa.

Het gebruik van grafeenoxide-sensorchips om DNA-hybridisatiereacties te analyseren, wordt in detail beschreven in een recent artikel van de auteurs in het tijdschrift van de American Chemical Society. ACS toegepaste materialen en interfaces . Naast een hoger niveau van gevoeligheid dan vergelijkbare commerciële producten, de voorgestelde sensorchips bezitten de vereiste eigenschap van biospecificiteit en kunnen meerdere keren worden gebruikt, wat de kosten voor het uitvoeren van biochemische studies met de chips aanzienlijk verlaagt.

Het gebruik van grafeen verhoogt de gevoeligheid van analyses uitgevoerd met SPR-spectroscopie meer dan tien keer, die een revolutie teweeg zal brengen op het gebied van farmaceutische biodetectie. De toepassing van biosensoren is momenteel beperkt tot het analyseren van biologische producten op basis van grote moleculen, terwijl meer dan de helft van de jaarlijks geproduceerde geneesmiddelen een laag molecuulgewicht heeft (niet meer dan een paar honderd Dalton). Immobilisatie van medicijndoelen op het oppervlak van een grafeenchip zal wetenschappers in staat stellen om de interactie tussen doelen en kleine moleculen te testen. Een voorbeeld hiervan kan de ontwikkeling zijn van geneesmiddelen die inwerken op receptoren gekoppeld aan G-eiwitten (GPCR's), die momenteel de doelstellingen vormen voor 40% van de geneesmiddelen op de markt. Farmaceutische onderzoeken naar geneesmiddelen die op GPCR's werken, worden momenteel niet uitgevoerd met SPR vanwege de onvoldoende gevoeligheid van de methode. Daarom wordt verwacht dat het gebruik van grafeenbiosensoren in farmaceutische studies zal helpen om de ontwikkeling van medicijnen te versnellen en gevaarlijke ziekten te overwinnen die niet kunnen worden behandeld met de medicijnen die momenteel op de farmaceutische markt zijn.

De auteurs blijven werken aan het verbeteren van hun ontwikkeling en verwachten dat voor bepaalde reacties, biosensorchips op basis van de nieuwe koolstofmaterialen zullen een gevoeligheidsniveau bieden dat tientallen of honderden keren hoger is dan vergelijkbare commerciële producten die momenteel op de markt zijn. Ze overwegen ook de mogelijkheid om grafeenchips te commercialiseren. Alleen al in 2014 ongeveer 10 miljard US dollar werd besteed aan preklinische studies. Volgens schattingen, de jaarlijkse markt voor biosensorchips is in totaal ongeveer 300 miljoen dollar waard. Door de uitstekende eigenschappen van grafeen-biosensorchips kunnen ze sterk concurreren met bestaande soorten chips - tot een derde van de totale markt.