Een groep werktuigbouwkundige onderzoekers van de Carnegie Mellon University heeft de grenzen van diagnostisch testen naar een nooit eerder gezien niveau verlegd.

De onderzoekers, onder leiding van Rahul Panat, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde, hebben een sensorsysteem ontwikkeld dat met succes niveaus van de neurotransmitter dopamine tot femtomolaire concentraties kon detecteren. Ze hebben hun bevindingen gepubliceerd in Nature Communications .

Om dat in perspectief te plaatsen, stel je voor dat je minder dan een gram dopamine giet in het Crater Lake in Oregon, het diepste meer in de VS. Deze sensor zou het kunnen detecteren.

"We hebben een fundamentele barrière doorbroken voor de detectielimiet voor biomoleculen", legt Azahar Ali, de hoofdauteur van het artikel, uit. Met andere woorden, dit is de kleinste concentratie dopamine die ooit betrouwbaar is gedetecteerd.

Deze ongelooflijke doorbraak werd bereikt door gebruik te maken van de kracht van additive manufacturing en nanotechnologie om een ​​ongelooflijk gevoelig detectiesysteem te creëren, bestaande uit een driedimensionale elektrode die in een microfluïdisch kanaal wordt geplaatst, waar monsters doorheen worden gepompt.

Eerdere elektroden bestonden uit een tweedimensionaal detectieoppervlak, dat niet in staat was om steeds kleinere concentraties doelmoleculen te detecteren, omdat de meeste van hen voorbij zouden drijven zonder interactie. Om die limiet te verleggen, zou het detectiegebied van de elektrode naar de derde dimensie moeten gaan om de moleculen te "vangen" terwijl ze er doorheen bewegen.

Om dit te bereiken, gebruikte het team een ​​techniek die bekend staat als aerosol jet 3D-nanodeeltjesafdrukken, waardoor ze kleine micropilaren konden bouwen met behulp van zilveren nanodeeltjes. Elke druppel werd bovenop de vorige toegevoegd en aan elkaar gesinterd totdat een holle pilaar was gevormd. Vervolgens werden ze bedekt met kleine vlokken grafeenoxide, die het oppervlak van de pilaar verder vergrootten en hielpen om dopamine te detecteren.

Maar waarom dopamine? Het is een belangrijk signaalmolecuul in de hersenen en het lichaam, dat vaak wordt geassocieerd met het beheersen van je humeur. Het speelt echter ook een rol bij meerdere neurodegeneratieve ziekten, waaronder schizofrenie, de ziekte van Alzheimer en verslaving. Het kan in het bloed worden gevonden, maar in zeer lage niveaus.

Door de hoge gevoeligheid van dit apparaat kan een arts een kleine druppel bloed afnemen en testen op de aanwezigheid van dopamine, waardoor een minimaal invasieve diagnostische methode ontstaat. Dit zou ervoor kunnen zorgen dat deze aandoeningen eerder en gemakkelijker kunnen worden getest, wat mogelijk levens kan redden. Panat is van mening dat dergelijke ontwikkelingen veel te laat zijn.

"Ik geloof dat de industrie van biomedische apparaten een achterstand heeft opgelopen bij het inhalen van de vooruitgang op het gebied van miniaturisatie en vooruitgang in micro-elektronica. En wij in de academische wereld kunnen daar verandering in brengen", zegt hij.

Vorig jaar gebruikte zijn team een ​​soortgelijk micropijlersysteem om een ​​snelle Covid-19-antilichaamtest te ontwikkelen. De relatieve eenvoud van het apparaat betekent echter dat het kan worden aangepast om een ​​grote verscheidenheid aan verschillende moleculen te detecteren, van antilichamen tot neurotransmitters tot veel dingen daartussenin.

De toekomstige richtingen voor dit systeem zijn bijna eindeloos. Verschillende elektroden kunnen in één apparaat worden geplaatst om een ​​multiplexsysteem te creëren dat in staat is om meerdere verschillende biomarkers tegelijk te detecteren. Of het kan worden geïntegreerd in een nieuwe vorm van draagbare technologie die elektrolytniveaus kan detecteren.

Waar we deze technologie ook zien geïmplementeerd, het werd mogelijk gemaakt door technische tools en strategieën te gebruiken om een ​​bestaand probleem uit een andere discipline aan te pakken. Het resultaat is een innovatieve oplossing die de toekomst van de geneeskunde zal helpen bepalen. + Verder verkennen

Detectie van COVID-19-antilichamen in 10 seconden