Onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hebben een nieuwe biologische sensor ontwikkeld die clinici kan helpen kanker en epilepsie beter te diagnosticeren.

Biologische sensoren bewaken kleine moleculen, ionen en protonen en zijn van vitaal belang als medische diagnose. Zelfs de eenvoudigste signalen, zoals intracellulaire pH-waarde, kan belangrijke informatie opleveren voor de medische gemeenschap.

Bijvoorbeeld, verzuring van tumoren door verhoogde glucoseopname en melkzuurafgifte is een biomarker van kankercellen. Hetzelfde, verzuring van extracellulair vocht is een van de belangrijkste processen tijdens epileptische aanvallen.

Maar door de mens gemaakte biosensoren hebben beperkingen zoals biocompatibiliteit en vervuiling (de ophoping van ongewenste materialen die de functie van het molecuul belemmeren of verstoren). Biologische systemen zijn bedreven in het beschermen en scheiden van vitale componenten van biologische machines met semipermeabele membranen die vaak gedefinieerde poriën en poorten bevatten om transmembraantransport alleen te beperken tot specifieke soorten.

Leren van biologie, het LLNL-team, onder leiding van Aleksandr Noy, creëerde een pH-sensor door silicium nanoribbon-transistorsensoren te integreren met een aangroeiwerende lipide dubbellaagse coating die proton-permeabele koolstof nanobuisporine (CNTP) -kanalen bevat en toonde robuuste pH-detectie met behulp van die sensoren in een verscheidenheid aan complexe biologische vloeistoffen.

"Ons apparaat is een veelzijdig platform voor realtime, etiketvrij, zeer gevoelige detectie van ziektebiomarkers, DNA-mismatches en virussen, " zei Xi Chen, een afgestudeerde student van UC Merced, een UC-National Lab In-residence graduate fellow bij Lawrence Livermore en een eerste auteur in een omslagartikel in het tijdschrift Nano-letters . Hij zei dat de biosensor uiteindelijk zelfs implanteerbaar zou kunnen zijn.

Om de pH-sensor te maken, het lipidemembraan moet een robuust kanaal bevatten dat zeer permeabel is (en, ideaal, zeer specifiek) voor protonen. Noy's team toonde eerder aan dat smalle CNTP's van 0,8 nanometer (ongeveer 10 nanometer koolstofnanobuissegmenten die spontaan in een lipidemembraan worden geplaatst en transmembraankanalen vormen) een extreem hoge protonpermeabiliteit hebben die een orde van grootte hoger is dan de protonpermeabiliteit van bulkwater. Extreme opsluiting van water in de poriën van nanobuisjes met een diameter van 0,8 nm is verantwoordelijk voor het creëren van omstandigheden die snel protonentransport bevorderen. Kleine poriegrootte en hoge protonpermeabiliteit zorgen er ook voor dat CNTP's de meeste vervuilende componenten van biologische mengsels effectief kunnen blokkeren en voorkomen dat ze het sensoroppervlak bereiken.

"Voor elk van deze experimenten, we hebben het vermogen van onze sensor gekarakteriseerd om te reageren op variaties in de pH-waarden van de oplossing voor en na continue blootstelling aan de verschillende vervuilende mengsels, Noy zei. "Toen de lipidedubbellaag CNTP-kanalen opnam, de pH-respons bleef behouden en vertoonde zeer weinig tekenen van afbraak."

In de toekomst, het team zou de CNTP's kunnen ontwerpen om specifieke ionen en kleine moleculen door te geven en andere biomoleculen te blokkeren. Dit zou het apparaat kunnen transformeren in een veelzijdige detectietechnologie van het platformtype die kan worden gebruikt in toepassingen variërend van ziektediagnose, genetische screening en ontdekking van geneesmiddelen.