Onderzoekers van de Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) in München laten zien dat het licht dat door een enkel molecuul wordt uitgezonden, kan worden gedetecteerd met een goedkope optische opstelling. Hun prototype zou medische diagnostiek kunnen vergemakkelijken.

Biomarkers spelen een centrale rol bij de diagnose van de ziekte en de beoordeling van het beloop. Onder de markers die nu in gebruik zijn, zijn genen, eiwitten, hormonen, lipiden en andere klassen van moleculen. Biomarkers zijn te vinden in het bloed, in hersenvocht, urine en verschillende soorten weefsels, maar de meeste hebben één ding gemeen:ze komen voor in extreem lage concentraties, en zijn daarom technisch uitdagend om te detecteren en te kwantificeren.

Veel detectieprocedures gebruiken moleculaire sondes, zoals antilichamen of korte nucleïnezuursequenties, die zijn ontworpen om te binden aan specifieke biomarkers. Wanneer een sonde zijn doelwit herkent en eraan bindt, chemische of fysische reacties geven aanleiding tot fluorescentiesignalen. Dergelijke methoden werken goed, op voorwaarde dat ze gevoelig genoeg zijn om de relevante biomarker te herkennen bij een hoog percentage van alle patiënten die deze in hun bloed dragen. In aanvulling, voordat dergelijke op fluorescentie gebaseerde tests in de praktijk kunnen worden gebruikt, de biomarkers zelf of hun signalen moeten worden versterkt. Het uiteindelijke doel is om medische screening direct bij patiënten mogelijk te maken, zonder de monsters voor analyse naar een afgelegen laboratorium te hoeven sturen.

Moleculaire antennes versterken fluorescentiesignalen

Philip Tinnefeld, die een leerstoel Fysische Chemie heeft aan de LMU, heeft een strategie ontwikkeld voor het bepalen van niveaus van biomarkers die in lage concentraties aanwezig zijn. Hij is erin geslaagd DNA-sondes te koppelen aan minuscule deeltjes goud of zilver. Paren van deeltjes ('dimeren') fungeren als nano-antennes die de fluorescentiesignalen versterken. De truc werkt als volgt:Interacties tussen de nanodeeltjes en binnenkomende lichtgolven versterken de lokale elektromagnetische velden, en dit leidt op zijn beurt tot een enorme toename van de amplitude van de fluorescentie. Op deze manier, bacteriën die antibioticaresistentiegenen en zelfs virussen bevatten, kunnen specifiek worden gedetecteerd.

"De afgelopen jaren is er onderzoek gedaan naar op DNA gebaseerde nano-antennes, " zegt Kateryna Trofymchuk, gezamenlijke eerste auteur van de studie. "Maar de fabricage van deze nanostructuren biedt uitdagingen." De onderzoeksgroep van Philip Tinnefeld is er nu in geslaagd om de componenten van hun nano-antennes nauwkeuriger te configureren, en bij het positioneren van de DNA-moleculen die dienen als invangprobes op de plaats van signaalamplificatie. Samen, deze modificaties zorgen ervoor dat het fluorescentiesignaal effectiever kan worden versterkt. Verder, in het minuscule volume dat ermee gemoeid is, wat in de orde van zeptoliter is (een zeptoliter is gelijk aan 10-21 van een liter), nog meer moleculen kunnen worden vastgelegd.

De hoge mate van positioneringscontrole wordt mogelijk gemaakt door DNA-nanotechnologie, die de structurele eigenschappen van DNA exploiteert om de assemblage van allerlei soorten objecten op nanoschaal te begeleiden - in extreem grote aantallen. "In een voorbeeld we kunnen tegelijkertijd miljarden van deze nano-antennes produceren, met behulp van een procedure die in feite bestaat uit het samen pipetteren van een paar oplossingen, ', zegt Trofymchuk.

Routinediagnose op de smartphone

"In de toekomst, " zegt Viktorija Glembockyte, tevens mede-eerste auteur van de publicatie, "onze technologie kan worden gebruikt voor diagnostische tests, zelfs in gebieden waar de toegang tot elektriciteit of laboratoriumapparatuur beperkt is. We hebben aangetoond dat we kleine DNA-fragmenten in bloedserum direct kunnen detecteren, met behulp van een draagbare, op een smartphone gebaseerde microscoop die werkt op een conventionele USB-voeding om de test te controleren." Nieuwere smartphones zijn meestal uitgerust met redelijk goede camera's. het enige dat nodig is, is een laser en een lens - twee gemakkelijk verkrijgbare en goedkope componenten. De LMU-onderzoekers gebruikten dit basisrecept om hun prototypes te bouwen.

Ze demonstreerden verder dat DNA-fragmenten die specifiek zijn voor antibioticaresistentiegenen in bacteriën, met deze opstelling konden worden gedetecteerd. Maar de test kan eenvoudig worden aangepast om een ​​hele reeks interessante doelwittypen te detecteren, zoals virussen. Tinnefeld is optimistisch:"Het afgelopen jaar heeft laten zien dat er altijd behoefte is aan nieuwe en innovatieve diagnostische methoden, en misschien kan onze technologie ooit bijdragen aan de ontwikkeling van een goedkope en betrouwbare diagnostische test die thuis kan worden uitgevoerd."