Wetenschap
Onderzoekers ontwikkelen kleine druppeltjes die laserlicht gebruiken om ziektemarkers te detecteren
Een team van onderzoekers onder leiding van de Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) heeft kleine druppeltjes gecreëerd die, wanneer ze worden geactiveerd door laserlicht, virale eiwitbiomarkers kunnen detecteren die de aanwezigheid van bepaalde ziekten aangeven.
Deze microdruppeltjes, ongeveer een derde van de diameter van een menselijke haarlok, zouden zich potentieel in de bloedbaan kunnen verplaatsen en alle delen van het menselijk lichaam kunnen bereiken en deeltjes kunnen detecteren die door cellen worden uitgestoten, bekend als exosomen, die functioneren als biomarkers voor ziekten.
Nanyang assistent-professor Chen Yu-Cheng van NTU's School of Electrical and Electronic Engineering, die het onderzoeksteam leidde samen met onderzoekscollega Dr. Fang Guocheng, zei dat de microdruppeltjes ook een nauwkeuriger, effectiever alternatief zouden kunnen bieden voor fotodynamische therapie, waarbij gebruik wordt gemaakt van lichtgeactiveerde medicijndragers om abnormale cellen te doden.
Het werk van het onderzoeksteam werd gerapporteerd in het tijdschrift Nano Letters in maart 2023.
Ziektedetectie door te zoeken naar ongezonde cellen
Het onderzoeksteam gebruikte een vloeibaar kristal om microdruppeltjes te creëren die vervolgens werden gecoat met verschillende antilichamen die reageren op verschillende eiwitten die door virussen worden afgescheiden, waardoor ze in ziektedetectoren worden veranderd.
De microdruppel dient als brandpunt voor laserlicht. Wanneer de laser de druppel binnengaat, worden de energie en het licht versterkt terwijl de laser herhaaldelijk reflecteert en in de druppel stuitert voordat hij de druppel verlaat. Hierdoor ontstaat er een sterker energiesignaal dat door de druppel wordt uitgezonden, wat leidt tot nauwkeurigere, nauwkeurigere en gemakkelijker detecteerbare signalen.
Wanneer een microdruppel een eiwit tegenkomt dat reageert met een van de daaraan gehechte antilichamen – wat de aanwezigheid van een ziekte of infectie suggereert – verandert de golflengte van het door de microdruppel weerkaatste licht.
Door de golflengteverschuiving te meten wanneer deze de microdruppel verlaat, hebben onderzoekers de technologie in laboratoriumproeven gebruikt om met succes neurologische aandoeningen, genetische ziekten en kankercellen te detecteren.
Assistent Prof Chen zei:"Het gebruik van lasers stelt ons in staat subtiele biologische veranderingen te versterken, omdat ze goed presteren, zelfs in verspreide of diepe weefselomgevingen. Lasers bieden een sterke coherentie en intensiteit en een hoge signaal-ruisverhouding, die allemaal leiden tot meer nauwkeurige detectie."
De onderzoekers zeiden dat de microdruppeltjes potentiële toepassingen hebben bij het screenen van geneesmiddelen. "Wij voorzien dat de voorgestelde studie kan dienen als een nuttig instrument voor zowel de fundamentele biologische wetenschap als toepassingen zoals het screenen van geneesmiddelen en orgaan- of weefsel-op-chip-toepassingen", aldus assistent-professor Chen.
Momenteel worden tests op zieke cellen uitgevoerd met conventioneel fluorescerend licht. Het gebruik van een laser biedt verschillende voordelen, aldus de onderzoekers. De grootste is een grotere nauwkeurigheid bij het opsporen van ziekten.
"Aangezien de golflengte van een lasergereflecteerde straal een smallere band beslaat dan de fluorescentie die in conventionele tests wordt gebruikt, zijn de resultaten duidelijker en nauwkeuriger, met minder ruis en onzekerheid", zegt Dr. Fang, een presidentiële postdoctorale fellow aan de NTU's School of Science. Electrical and Electronic Engineering en de co-corresponderende auteur van het artikel.
"Vanwege hun hoge gevoeligheid voor veranderingen in de omgeving worden laserdeeltjes in verschillende toepassingen gebruikt als moleculaire sensoren", zegt assistent-professor Chen.
Deze aanpasbare microdruppels bieden ook flexibiliteit in beweging en detectie. Volgens eerder gepubliceerd onderzoek kunnen ze handmatig worden bestuurd met behulp van magnetische deeltjes of autonoom bewegen met behulp van lipiden en oppervlakteactieve stoffen, waardoor ze zich binnen het lichaam kunnen verspreiden. Ze zijn bovendien biologisch afbreekbaar en kunnen veilig door het lichaam worden opgenomen.
"Het vermogen om microlasers – lasers van een paar micron groot – in biologische vloeistoffen te manipuleren opent nieuwe mogelijkheden in biofotonische toepassingen", zegt assistent-professor Chen.
Alternatieve toepassingen bij fotodynamische therapie
De microdruppeltjes zouden kunnen worden toegepast bij fotodynamische therapie, waarbij patiënten een door licht geactiveerd medicijn krijgen. Deze medicijnen, fotosensitizers genoemd, zijn ontworpen om alleen door zieke of abnormale cellen te worden opgenomen en hebben alleen effect wanneer ze worden geactiveerd door een lichtbron.
De microdruppeltjes van het team zijn klein genoeg om door de bloedbaan te navigeren en zich ook aan exosomen te binden. Ze zouden kunnen worden gebruikt om deze fotosensitizers af te leveren in gebieden waar zieke cellen exosomen afgeven.
Conventionele fotodynamische therapie maakt gebruik van extern fluorescerend licht om medicijndragers in de bloedbaan te activeren, die licht over een groot oppervlak van het lichaam laten schijnen. Artsen kunnen de medicijnen nauwkeuriger en lokaaler activeren door in plaats daarvan een laser als lichtbron te gebruiken, wat leidt tot een betere doelgerichte efficiëntie.
Het onderzoeksteam werkt momenteel aan de ontwikkeling van een geïntegreerde biochip die mogelijk op één chip kan worden gecommercialiseerd voor gebruik bij geneesmiddelenscreening en bio-assays.