Een enkele cel kan een schat aan informatie bevatten over de gezondheid van een individu. Nutsvoorzieningen, een nieuwe methode ontwikkeld aan het MIT en de National Chiao Tung University zou het mogelijk kunnen maken om individuele cellen uit een klein bloedmonster te vangen en te analyseren, mogelijk leidend tot zeer goedkope diagnostische systemen die bijna overal kunnen worden gebruikt.

Het nieuwe systeem, op basis van speciaal behandelde vellen grafeenoxide, zou uiteindelijk kunnen leiden tot een verscheidenheid aan eenvoudige apparaten die voor slechts $ 5 per stuk kunnen worden geproduceerd en een verscheidenheid aan gevoelige diagnostische tests kunnen uitvoeren, zelfs op plaatsen ver van de typische medische faciliteiten.

Het materiaal dat in dit onderzoek is gebruikt, is een geoxideerde versie van de tweedimensionale vorm van pure koolstof die bekend staat als grafeen, die al meer dan tien jaar het onderwerp is van wijdverbreid onderzoek vanwege zijn unieke mechanische en elektrische eigenschappen. De sleutel tot het nieuwe proces is het verhitten van grafeenoxide bij relatief milde temperaturen. Dit gloeien bij lage temperatuur, zoals het bekend is, maakt het mogelijk om bepaalde verbindingen aan het oppervlak van het materiaal te hechten. Deze verbindingen selecteren op hun beurt en binden met specifieke moleculen van belang, inclusief DNA en eiwitten, of zelfs hele cellen. Eenmaal gevangen, die moleculen of cellen kunnen vervolgens worden onderworpen aan een verscheidenheid aan tests.

De bevindingen worden gerapporteerd in het tijdschrift ACS Nano in een paper, mede geschreven door Neelkanth Bardhan, een MIT-postdoc, en Priyank Kumar PhD '15, nu een postdoc aan de ETH Zürich; Angela Belcher, de James Mason Crafts Professor in biologische engineering en materiaalkunde en engineering aan het MIT en een lid van het Koch Institute for Integrative Cancer Research; Jeffrey Grossman, de Morton en Claire Goulder en Family Professor in Environmental Systems aan het MIT; Hidde L. Ploegh, een professor in de biologie en lid van het Whitehead Institute for Biomedical Research; Guan Yu Chen, een assistent-professor in biomedische technologie aan de National Chiao Tung University in Taiwan; en Zeyang Li, een doctoraatsstudent aan het Whitehead Institute.

Andere onderzoekers hebben geprobeerd diagnostische systemen te ontwikkelen met behulp van een grafeenoxidesubstraat om specifieke cellen of moleculen te vangen, maar deze benaderingen gebruikten alleen de ruwe, onbehandeld materiaal. Ondanks tien jaar onderzoek, andere pogingen om de efficiëntie van dergelijke apparaten te verbeteren, waren gebaseerd op externe aanpassingen, zoals oppervlaktepatronen door middel van lithografische fabricagetechnieken, of het toevoegen van microfluïdische kanalen, die de kosten en complexiteit verhogen. De nieuwe bevinding biedt een in massa produceerbare, goedkope benadering om dergelijke efficiëntieverbeteringen te bereiken.

Het verhittingsproces verandert de oppervlakte-eigenschappen van het materiaal, waardoor zuurstofatomen samenklonteren, tussenruimten van kale grafeen achterlatend. Hierdoor is het relatief eenvoudig om andere chemicaliën aan het oppervlak te hechten, die kunnen interageren met specifieke moleculen van belang. Het nieuwe onderzoek laat zien hoe dat basisproces mogelijk een reeks goedkope diagnostische systemen mogelijk maakt, bijvoorbeeld voor kankerscreening of follow-up van behandelingen.

Voor deze proof-of-concept-test, het team gebruikte moleculen die snel en efficiënt specifieke immuuncellen kunnen vangen die markers zijn voor bepaalde kankers. Ze konden aantonen dat hun behandelde grafeenoxide-oppervlakken bijna twee keer zo effectief waren in het opnemen van dergelijke cellen uit volbloed, vergeleken met apparaten die zijn vervaardigd met behulp van gewone, onbehandeld grafeenoxide, zegt Bardhan, hoofdauteur van de krant.

Het systeem heeft ook andere voordelen, zegt Bardan. Het zorgt voor een snelle opname en beoordeling van cellen of biomoleculen onder omgevingsomstandigheden binnen ongeveer 10 minuten en zonder koeling van monsters of incubators voor nauwkeurige temperatuurregeling. En het hele systeem is compatibel met bestaande grootschalige productiemethoden, waardoor het mogelijk wordt diagnostische apparaten te produceren voor minder dan $ 5 per stuk, schat het team. Dergelijke apparaten kunnen worden gebruikt in point-of-care-tests of in omgevingen met beperkte middelen.

Bestaande methoden voor het behandelen van grafeenoxide om functionalisering van het oppervlak mogelijk te maken, vereisen behandelingen bij hoge temperaturen of het gebruik van agressieve chemicaliën, maar het nieuwe systeem die de groep heeft gepatenteerd, vereist geen chemische voorbehandeling en een gloeitemperatuur van slechts 50 tot 80 graden Celsius (122 tot 176 F).

Hoewel de basisverwerkingsmethode van het team een ​​breed scala aan toepassingen mogelijk zou kunnen maken, inclusief zonnecellen en lichtgevende apparaten, voor dit werk concentreerden de onderzoekers zich op het verbeteren van de efficiëntie van het vangen van cellen en biomoleculen die vervolgens aan een reeks tests kunnen worden onderworpen. Ze deden dit door het behandelde grafeenoxide-oppervlak enzymatisch te coaten met peptiden die nanobodies worden genoemd - subeenheden van antilichamen, die goedkoop en gemakkelijk in grote hoeveelheden in bioreactoren kunnen worden geproduceerd en zeer selectief zijn voor bepaalde biomoleculen.

De onderzoekers ontdekten dat het verhogen van de uitgloeitijd de efficiëntie van het vastleggen van cellen gestaag verhoogde:na negen dagen uitgloeien, de efficiëntie van het opvangen van cellen uit volbloed ging van 54 procent, voor onbehandeld grafeenoxide, tot 92 procent voor het behandelde materiaal.

Het team voerde vervolgens moleculaire dynamische simulaties uit om de fundamentele veranderingen in de reactiviteit van het grafeenoxide-basismateriaal te begrijpen. De simulatieresultaten, die het team ook experimenteel heeft geverifieerd, suggereerde dat bij het gloeien, de relatieve fractie van één type zuurstof (carbonyl) neemt toe ten koste van de andere typen functionele zuurstofgroepen (epoxy en hydroxyl) als gevolg van de zuurstofclustering. Deze verandering maakt het materiaal reactiever, wat de hogere dichtheid van celvangstmiddelen en verhoogde efficiëntie van celvangst verklaart.

"Efficiëntie is vooral belangrijk als je een zeldzame gebeurtenis probeert te detecteren, ", zegt Belcher. "Het doel hiervan was om een ​​hoge efficiëntie van de vangst aan te tonen." De volgende stap na deze fundamentele proof of concept, ze zegt, is om te proberen een werkende detector te maken voor een specifiek ziektemodel.

In principe, Bardhan zegt, veel verschillende tests kunnen op één apparaat worden geïntegreerd, die allemaal op een klein glasplaatje konden worden geplaatst, zoals dat voor microscopie wordt gebruikt.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.