Een team van UCLA-onderzoekers heeft een manier gevonden om de detectie van eiwitten in bloed en plasma te versnellen en te vereenvoudigen, waardoor het potentieel wordt geopend voor het diagnosticeren van de vroege aanwezigheid van infectieziekten of kanker tijdens een doktersbezoek. De nieuwe test duurt ongeveer 10 minuten in plaats van twee tot vier uur voor de huidige state-of-the-art tests.

De nieuwe aanpak overwon een aantal belangrijke uitdagingen bij het detecteren van eiwitten die biomarkers van ziekten zijn. Eerst, deze eiwitten zijn vaak in geringe hoeveelheden aanwezig in lichaamsvloeistoffen en het nauwkeurig identificeren ervan vereist amplificatieprocessen. De huidige aanpak maakt gebruik van enzymen om het signaal van eiwitten te versterken. Echter, enzymen kunnen afbreken als ze niet bij de juiste temperatuur worden bewaard. Ook, om een ​​vals positief te voorkomen, overtollige enzymen moeten worden weggespoeld. Dit verhoogt de complexiteit en de kosten van de test.

De studie, waaronder onderzoekers van de Henry Samueli School of Engineering and Applied Science, het California NanoSystems Institute, en de David Geffen School of Medicine, werd online gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano .

De onderzoekers waren onder meer hoofdauteur Donghyuk Kim, een UCLA postdoctoraal onderzoeker in bio-engineering en Dino Di Carlo, hoogleraar bio-engineering. Ze werkten samen met Aydogan Ozcan, Chancellor's hoogleraar elektrotechniek en bio-engineering en Omai Garner, assistent-professor pathologie en geneeskunde aan de David Geffen School of Medicine aan de UCLA.

Het UCLA-team bedacht een aanpak om een ​​eiwitsignaal te versterken zonder enzymen, waardoor de noodzaak voor een complex systeem om overtollige enzymen weg te spoelen, wordt geëlimineerd, en dat zou alleen werken in aanwezigheid van het doeleiwit. Deze nieuwe aanpak maakte gebruik van een moleculaire kettingreactie die alleen sterk werd geactiveerd in de aanwezigheid van een doeleiwit.

De moleculaire kettingreactie wordt aangedreven door een cyclus van DNA-bindingsgebeurtenissen. Het proces begint met een DNA-sleutel die in twee delen is verdeeld. Als het doeleiwit aanwezig is, de twee delen binden samen om een ​​DNA-complex te vormen. De vorming van het DNA-complex genereert DNA-signaalmoleculen, dat op zijn beurt hetzelfde DNA-complex genereert, wat leidt tot meer signaalmoleculen, dus het voortplanten van herhaalde cycli.

"Door de DNA-sleutel in twee delen te knippen, we ontdekten dat elk deel de reactie niet afzonderlijk kon katalyseren of 'openen', maar alleen wanneer een eiwit als lijm fungeerde - in wezen de delen aan elkaar verbindend, is de DNA-sleutel weer functioneel geworden, " zei Kim, een lid van het laboratorium van Di Carlo.

De bevindingen van het UCLA-team bouwen voort op eerder werk waarbij dit enzymvrije mechanisme van nucleïnezuuramplificatie werd gebruikt om DNA te detecteren.

"In tegenstelling tot eerdere benaderingen om een ​​versterkte uitlezing van eiwitten te bereiken, zoals de nabijheidsligatietest, deze aanpak vereist niet meerdere enzymen, langere op polymerisatie gebaseerde enzymatische reacties, of temperatuurregeling om het signaal te versterken, " zei Di Carlo. "In feite werkt de nieuwe test bij kamertemperatuur en bereikt resultaten in ongeveer 10 minuten."

Het team demonstreerde de aanpak met twee doeleiwitten:streptavidine, veel gebruikt als testeiwit voor nieuwe diagnostische testen, en influenza-nucleoproteïne, dat is een eiwit dat geassocieerd is met het influenzavirus.

Op de lange termijn wil het team de techniek combineren met draagbare lezers die met name nuttig kunnen zijn in klinieken in gebieden met weinig middelen.

"Omdat de techniek minder stappen vereist dan andere testen, het kan een aanzienlijke impact hebben op gedistribueerde diagnostiek en rapportage over de volksgezondheid, vooral in combinatie met kosteneffectieve draagbare en netwerklezertechnologie die ons laboratorium ontwikkelt, ' zei Ozcan.

Het team demonstreerde eerder dit jaar een synergetische draagbare microplaatlezer die geschikt is voor diagnostische tests op eiwitten op basis van de optische en computersystemen van een mobiele telefoon.

Garner, die ook de associate director is van het laboratorium voor klinische microbiologie aan UCLA Health, benadrukte de brede toepassing van de techniek. "Hoewel aanvankelijk aangetoond bij het opsporen van eiwit geassocieerd met griep, we stellen ons voor dat de aanpak kan worden gegeneraliseerd naar een reeks eiwitbiomarkers die verband houden met infectieziekten en kanker, " zei Garner. Hij merkte op dat het kan worden geconfigureerd om ziekten zoals Zika of Ebola op te sporen.

De onderzoekers benadrukten dat er extra werk nodig is om de test aan te passen aan complexe klinische monsters die mogelijk andere storende verbindingen bevatten, en verdere optimalisatie van de reagentia voor de test kan de prestatie verbeteren.