Handheld elektrochemische sensoren maken deel uit van de dagelijkse routine voor miljoenen mensen met diabetes over de hele wereld die hun bloedsuikerspiegels controleren met elektrische glucometers. Hoewel dergelijke sensoren een revolutie teweeg hebben gebracht in het thuis testen van diabetici, ze zijn nog niet met succes toegepast bij het diagnosticeren van andere aandoeningen. Sensoren zoals glucometers detecteren glucose in het bloed op basis van de activiteit van een enzym, en er zijn slechts een beperkt aantal enzymen die kunnen worden gebruikt om biomarkers van menselijke ziekten te detecteren. Een alternatieve detectiestrategie op basis van bindingsgebeurtenissen tussen antilichamen en hun moleculaire doelen is onderzocht om het gebruik van elektrochemische sensoren voor medicijnen uit te breiden, maar deze sensoren worden het slachtoffer van de snelle ophoping van "vervuilende" stoffen uit biologische vloeistoffen op hun geleidende oppervlakken, die ze deactiveren. Bestaande aangroeiwerende coatings zijn moeilijk in massa te vervaardigen, last hebben van kwaliteits- en consistentieproblemen, en zijn niet erg effectief.

Nutsvoorzieningen, een nieuwe diagnostische platformtechnologie ontwikkeld door onderzoekers van het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering aan de Harvard University, bekend als "eRapid", maakt het mogelijk om goedkope, draagbare elektrochemische apparaten die gelijktijdig een breed scala aan biomarkers kunnen detecteren met een hoge gevoeligheid en selectiviteit in complexe biologische vloeistoffen, met slechts een enkele druppel bloed. De technologie wordt beschreven in het nieuwste nummer van Natuur Nanotechnologie .

"Zolang er een antilichaam bestaat voor een bepaald doelmolecuul, eRapid kan het detecteren, " zei co-auteur Pawan Jolly, doctoraat, een Senior Research Scientist bij het Wyss Institute. "Door het biofoulingprobleem op te lossen met een eenvoudig maar robuust ontwerp, we zijn nu in staat om biochemische sensoren gemakkelijk in massa te produceren voor een breed scala aan toepassingen tegen lage kosten."

De uitdaging bij het ontwikkelen van de aangroeiwerende coating was om ophoping van off-target stoffen op de metalen elektroden van de sensor te voorkomen, terwijl hun geleidingsvermogen behouden bleef om detectie van het doelwit mogelijk te maken. Na het experimenteren met verschillende recepten, ontwikkelde het onderzoeksteam een ​​eenvoudige, poreus, 3-D matrix bestaande uit runderserumalbumine (BSA) verknoopt met glutaaraldehyde en ondersteund door een netwerk van geleidende nanomaterialen, zoals gouden nanodraden of koolstofnanobuisjes. De kleine poriegrootte van de BSA-matrixgrootte - sluit eiwitten uit die in bloed en plasma worden aangetroffen, en de zwakke negatieve lading van de BSA voorkomt de sterke adhesie van positief geladen biomoleculen op de sensor.

Toen de onderzoekers hun met nanomateriaal gecoate sensoren testten in menselijk bloedserum en plasma, ze behielden meer dan 90% van hun vermogen om signalen te detecteren, zelfs nadat ze een maand in die biologische vloeistoffen waren bewaard, overwegende dat sensoren die zijn gecoat met de beste eerder gepubliceerde aangroeiwerende coatings, significante signaalgevoeligheid verloren wanneer ze gedurende één uur werden geïncubeerd, en waren na een dag volledig geïnactiveerd.

Om de gecoate sensoren te functionaliseren, de onderzoekers hechtten antilichamen aan het oppervlak van de nanomateriaalcoating bovenop de elektrode, en een "sandwich-assay" gebruikten om de antilichaambindingsgebeurtenis om te zetten in een chemisch signaal dat neerslaat op het elektrodeoppervlak, waardoor een elektrisch signaal wordt gegenereerd. De grootte van het elektrische signaal correleert direct met de hoeveelheid geproduceerd precipitaat, en dus op het aantal doelwitmoleculen dat aan de antilichamen is gebonden, waardoor de concentratie van het doel kan worden gemeten.

Het team demonstreerde het commerciële nut van deze aanpak door een multiplexsensor te maken met drie afzonderlijke elektroden, elk gecoat met de BSA/gouden nanodraadmatrix en een laag antilichamen tegen een specifiek klinisch relevant doelmolecuul:interleukine 6 (IL6), insuline, of glucagon. Toen ze de sensor met de respectievelijke doelmoleculen in onverdund menselijk plasma incubeerden, ze observeerden uitstekende elektrische signalen met een gevoeligheid van picogram per ml. Omgekeerd, elektroden gecoat met een gepubliceerde "PEG-SAM" aangroeiwerende coating konden geen duidelijke signalen produceren, wat aangeeft dat ze onomkeerbaar waren vervuild door off-target moleculen in menselijke plasmamonsters. In aanvulling, de BSA/goud-nanodraad-gecoate sensoren kunnen meerdere keren worden gewassen en hergebruikt met minimaal signaalverlies, waardoor seriële monitoring van biomarkers eenvoudig en tegen lage kosten mogelijk is.

Vanaf dat moment, het Wyss-team heeft meer dan een dozijn verschillende biomarkers kunnen detecteren, variërend van 100 Da tot 150, 000 Da groot met eRapid, en ze blijven experimenteren met geleidende nanomaterialen om de elektrodecoating en de prestaties van het systeem te optimaliseren, en de kosten nog verder verlagen. Ze onderzoeken actief de commercialiseringsopties voor eRapid in de draagbare point-of-care-diagnostiekruimte, maar hoop ook het coating- en sensortechnologieplatform uit te breiden naar andere doelen en contexten, inclusief diagnostiek in het ziekenhuis, milieutoxine het ontdekken, detectie van kleine moleculen, en implanteerbare medische hulpmiddelen.

interessant, het team - onder leiding van de oprichter van het Wyss Institute, Donald Ingber, MD, doctoraat - oorspronkelijk niet met dit doel voor ogen was begonnen. Dit werk begon omdat ze gelijktijdig meerdere biomoleculen moesten detecteren die werden geproduceerd door verschillende soorten weefselcellen die in menselijke Organs-on-Chips groeien om hun functie en ontstekingsstatus in de loop van de tijd niet-invasief te beoordelen. Het kleine volume vloeistof dat uit de kanalen van de chips stroomt, vereiste zeer gevoelige sensoren die ook konden worden gemultiplext, wat leidde tot de creatie van de huidige technologie.

"eRapid is voortgekomen uit het nastreven van de ene innovatie die heeft geleid tot een andere die het potentieel heeft om medische diagnostiek te transformeren. Hopelijk, deze eenvoudige technologie zal grote vooruitgang mogelijk maken in ons vermogen om draagbare diagnostische apparaten te ontwikkelen die thuis kunnen worden gebruikt, ook in apotheken, ambulances, dokterspraktijken, en spoedeisende hulp in de nabije toekomst, " zei Ingber, die ook de Judah Folkman Professor of Vascular Biology is aan de Harvard Medical School en het Vascular Biology Program aan het Boston Children's Hospital, en hoogleraar bio-engineering aan de John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences van Harvard.