In bloed of urine is veel terug te vinden:virale ziekten, stofwisselingsstoornissen of auto-immuunziekten kunnen worden gediagnosticeerd met laboratoriumtests, bijvoorbeeld. Maar zulke onderzoeken duren vaak een paar uur en zijn behoorlijk complex, daarom dragen artsen de monsters over aan gespecialiseerde laboratoria.

Wetenschappers van ETH Zürich en het bedrijf Roche hebben samen een volledig nieuwe analysemethode ontwikkeld op basis van lichtdiffractie op moleculen op een kleine chip. De techniek heeft het potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in de diagnostiek:in de toekomst zullen artsen kunnen complexe onderzoeken in hun eigen praktijk gemakkelijk en snel uitvoeren.

Direct zichtbaar met laserlicht

Net als bij andere gevestigde diagnostische procedures, de nieuwe methode maakt ook gebruik van het key-lock-principe van moleculaire herkenning:om een ​​bepaald eiwit te bepalen dat in het bloed is opgelost (de "sleutel"), het moet aan een geschikt antilichaam (het "slot") vastklikken. In gevestigde immunologische testmethoden, de "sleutel in het slot" wordt zichtbaar gemaakt met een tweede kleurgecodeerde sleutel, maar deze stap is in het nieuwe proces niet meer nodig - de "sleutel in het slot" kan direct zichtbaar worden gemaakt met een laserlicht.

De wetenschappers gebruiken een chip met een speciaal gecoat oppervlak dat bestaat uit kleine stippen met een specifiek gestreept patroon. De moleculen in kwestie binden aan de strepen, maar niet aan de spleten tussen de strepen. Als er nu een laserlicht langs het oppervlak van de chip wordt gericht, het wordt gebogen (afgebogen) als gevolg van de speciale rangschikking van de moleculen in het patroon en gefocust op een punt onder de chip. Er wordt een lichtpuntje zichtbaar. Toen de wetenschappers monsters zonder de moleculen op de chip plaatsten, het licht wordt niet gebogen en er is geen lichtpuntje zichtbaar.

Moleculair samenspel

"Het lichtpunt is een effect van het samenspel van honderdduizenden moleculen in hun specifieke rangschikking, " zegt Christof Fattinger, een wetenschapper bij Roche. "Net als bij een hologram, het golfkarakter van het laserlicht wordt gericht gebruikt."

Janos Vörös, hoogleraar bio-elektronica aan de ETH Zürich, vergelijkt het principe met een orkest:"De moleculen zijn de muzikanten, het streeppatroon de geleider. Het zorgt ervoor dat alle muzikanten samenwerken." De wetenschappers noemen het gestreepte patroon "mologram" (moleculair hologram) en de nieuwe diagnostische techniek "focal molography".

Fattinger vond het principe uit en ontwikkelde de theoretische basis. Vijf jaar geleden, hij nam een ​​sabbatical in de groep onder leiding van Vörös; de praktische implementatie van molografie is nu voortgekomen uit die samenwerking tussen de Roche-wetenschappers en ETH Zürich.

Andere moleculen verstoren niet

Een belangrijk voordeel van de nieuwe methode is dat het signaal (het lichtpunt) alleen tot stand komt door de moleculen die specifiek aan het mologram binden - andere moleculen die in een monster aanwezig zijn, produceren geen signaal. De methode is daardoor aanzienlijk sneller dan eerdere analysemethoden op basis van het key-lock principe. In het laatstgenoemde, andere moleculen die in een monster aanwezig zijn, moeten worden weggespoeld, wat op zijn beurt de diagnose vertraagt ​​en bemoeilijkt. Dit maakt de nieuwe methode ideaal voor het meten van eiwitten in bloed of andere lichaamsvloeistoffen.

"We verwachten dat deze technologie het mogelijk zal maken om in de toekomst meer laboratoriumtests rechtstreeks in de spreekkamer uit te voeren in plaats van in een gespecialiseerd laboratorium. En in de verre toekomst zullen patiënten kunnen de technologie zelfs thuis gebruiken, ", zegt Vörös.

Groot potentieel

Op een kleine chip zijn meerdere mologrammen gerangschikt. In het huidige ontwerp is 40 mologrammen meten hetzelfde molecuul, maar in de toekomst is het misschien mogelijk om 40 of meer verschillende markers tegelijkertijd op een chip te meten.

De mogelijke toepassingen van deze nieuwe techniek zijn immens. Het kan overal worden gebruikt waar de interactie tussen moleculen moet worden geïdentificeerd en onderzocht. De methode is zo snel dat hij zelfs geschikt is voor realtime metingen, dat van bijzonder belang is voor fundamenteel biologisch onderzoek:bijvoorbeeld om te onderzoeken hoe snel het ene biochemische molecuul aan het andere bindt. Andere toepassingen zijn bijvoorbeeld kwaliteitscontrole voor drinkwaterbehandeling of procesbewaking in de biotechnologische industrie.

Intense focus op marktgereedheid

"Dat we erin zijn geslaagd het idee in de praktijk te brengen, is grotendeels te danken aan het feit dat ons projectteam interdisciplinair is, " zegt Vörös. Onder de deelnemers waren experts in fotochemie, chipproductie en oppervlaktecoating. De wetenschappers gebruikten ook speciale coatingpolymeren voor het mologram, die onlangs zijn ontwikkeld in het laboratorium van ETH-professor Nicholas Spencer (ETH News meldde:https://www.ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2016/02/swiss-army-knife -molecuul.html). "Zonder deze polymeren en zonder de samenwerking met Janos Vörös, we zouden nog ver van ons doel zijn, ' zegt Fattinger.

Om de methode verder te ontwikkelen, de samenwerking tussen Roche en ETH Zürich wordt voortgezet. Terwijl verschillende wetenschappers en promovendi in de Vörös-groep aan de wetenschappelijke aspecten ervan werken, de partners zijn ook van plan om commercialiseringsmogelijkheden voor verschillende toepassingen te verkennen.