Met behulp van koolstof nanobuisjes, Chemische ingenieurs van MIT hebben een nieuwe methode bedacht voor het detecteren van eiwitten, inclusief fibrinogeen, een van de stollingsfactoren die cruciaal zijn voor de bloedstollingscascade.

Deze aanpak, indien ontwikkeld tot een implanteerbare sensor, kan nuttig zijn voor het monitoren van patiënten die bloedverdunners gebruiken, waardoor artsen ervoor kunnen zorgen dat de medicijnen de bloedstolling niet te veel verstoren.

De nieuwe methode is de eerste die synthetische herkenningsplaatsen (vergelijkbaar met natuurlijke antilichamen) voor eiwitten creëert en deze direct koppelt aan een krachtige nanosensor zoals een koolstofnanobuisje. De onderzoekers hebben ook aanzienlijke vooruitgang geboekt op een vergelijkbare herkenningsplaats voor insuline, waardoor patiënten met diabetes beter kunnen worden gevolgd. Het kan ook mogelijk zijn om deze benadering te gebruiken om eiwitten te detecteren die geassocieerd zijn met kanker of hartziekte, zegt Michael Strano, de Carbon P. Dubbs Professor in Chemical Engineering aan het MIT.

Strano is de senior auteur van een paper waarin de methode in Nature Communications wordt beschreven. Gili Bisker, een postdoc in Strano's lab, is de hoofdauteur van de krant.

Een gerichte zoekopdracht

De nieuwe sensor is het nieuwste voorbeeld van een methode die is ontwikkeld in het laboratorium van Strano, bekend als Corona Phase Molecular Recognition (CoPhMoRe).

Deze techniek maakt gebruik van de interacties tussen een bepaald polymeer en een oppervlak van nanodeeltjes, zoals dat van een fluorescerende enkelwandige koolstofnanobuis, wanneer het polymeer om de nanobuis wordt gewikkeld.

Bepaalde delen van de polymeren hechten zich vast aan het oppervlak van de nanodeeltjes als ankers, terwijl andere regio's zich naar buiten uitstrekken in hun omgeving. Dit naar buiten gerichte gebied, ook bekend als de geadsorbeerde fase of corona, heeft een 3D-structuur die afhangt van de samenstelling van het polymeer.

CoPhMoRe werkt wanneer een specifiek polymeer adsorbeert aan het oppervlak van nanodeeltjes en een corona creëert die het doelmolecuul herkent. Deze interacties zijn zeer specifiek, net als de binding tussen een antilichaam en zijn doelwit. De binding van het doelwit verandert de natuurlijke fluorescentie van de koolstofnanobuisjes, waardoor de onderzoekers kunnen meten hoeveel van het doelmolecuul aanwezig is.

Het laboratorium van Strano heeft deze benadering eerder gebruikt om herkenningsplaatsen te vinden en nansensoren voor estradiol en riboflavine te ontwikkelen. onder andere moleculen. Het nieuwe artikel vertegenwoordigt hun eerste poging om corona-fasen te identificeren die eiwitten kunnen detecteren, die groter zijn, ingewikkelder, en kwetsbaarder dan de moleculen die door hun vorige sensoren werden geïdentificeerd.

Voor deze studie is Bisker begon met het screenen van koolstofnanobuisjes verpakt in 20 verschillende polymeren, waaronder DNA, RNA, en polyethyleenglycol (PEG), een polymeer dat vaak aan geneesmiddelen wordt toegevoegd om hun levensduur in de bloedbaan te verlengen.

Zelfstandig, geen van de polymeren had enige affiniteit voor de 14 geteste eiwitten, allemaal genomen uit menselijk bloed. Echter, toen de onderzoekers in polymeer verpakte nanobuisjes testten tegen dezelfde eiwitten, ze vonden een match tussen een van de gemodificeerde nanobuisjes en fibrinogeen.

"Een chemicus of bioloog zou niet van tevoren kunnen voorspellen dat er enige affiniteit zou zijn tussen fibrinogeen en deze coronafase, " zegt Strano. "Het is echt een nieuw soort moleculaire herkenning."

fibrinogeen, een van de meest voorkomende eiwitten in menselijk bloed, maakt deel uit van de bloedstollingscascade. Wanneer een bloedvat beschadigd is, een enzym genaamd trombine zet fibrinogeen om in fibrine, een vezelig eiwit dat stolsels vormt om de wond af te dichten.

Een sensor voor fibrinogeen kan artsen helpen bepalen of patiënten die bloedverdunners gebruiken nog voldoende stollingscapaciteit hebben om hen te beschermen tegen letsel, en zou artsen in staat kunnen stellen nauwkeuriger afgestemde doseringen te berekenen. Het kan ook worden gebruikt om de bloedstolling van patiënten te testen voordat ze geopereerd worden, of om wondgenezing te volgen, zegt Bisker.

Synthetische antilichamen

De onderzoekers geloven dat hun synthetische moleculaire herkenningsmiddelen een verbetering zijn ten opzichte van bestaande natuurlijke systemen op basis van antilichamen of DNA-sequenties die bekend staan ​​als aptameren. die kwetsbaarder zijn en de neiging hebben om na verloop van tijd af te breken.

"Een van de voordelen hiervan is dat het een volledig synthetisch systeem is dat een veel langere levensduur in het lichaam kan hebben, ' zegt Bisker.

In 2013, onderzoekers in het laboratorium van Strano hebben aangetoond dat sensoren van koolstofnanobuisjes meer dan een jaar actief kunnen blijven in muizen nadat ze zijn ingebed in een polymeergel en chirurgisch onder de huid zijn geïmplanteerd.

Naast insuline, de onderzoekers zijn ook geïnteresseerd in het detecteren van troponine, een eiwit dat wordt vrijgegeven door stervende hartcellen, of het detecteren van eiwitten geassocieerd met kanker, die nuttig zou zijn voor het volgen van het succes van chemotherapie. Deze en andere eiwitsensoren kunnen cruciale componenten worden van apparaten die medicijnen afgeven als reactie op een teken van ziekte.

"Door therapeutische markers in het menselijk lichaam in realtime te meten, we kunnen medicijnafgiftesystemen mogelijk maken die veel slimmer zijn, en medicijnen vrijgeven in precieze hoeveelheden, " zegt Strano. "Echter, het meten van die biomarkers is de eerste stap."