För första gången, forskare har upptäckt proteasaktivitet med ytförstärkt Raman-spektroskopi (SERS) utförd med en liten vågledare. Arbetet banar väg till realtid, etikettfri lab-on-a-chip proteasövervakning, vilket skulle kunna erbjuda ett högeffektivt tillvägagångssätt för att screena efter nya läkemedel som hämmar proteaser som är involverade i sjukdomar.

Proteaser bryter ner peptidbindningarna som håller ihop proteiner. De är viktiga läkemedelsmål på grund av deras inblandning i många sjukdomar, inklusive cancer, Alzheimers sjukdom, och artrit.

Nina Turk från forskningscentret IMEC vid Gents universitet i Belgien kommer att presentera den nya forskningen vid den helt virtuella OSA Frontiers in Optics and Laser Science APS/DLS (FiO + LS) konferens som hålls 14-17 september.

"Vi hoppas att vårt tvärvetenskapliga tillvägagångssätt en dag kan möjliggöra snabb och effektiv upptäckt av nya läkemedel för en mängd olika proteaskopplade sjukdomar, vilket förbättrar livet för miljontals patienter runt om i världen, sa Turk.

SERS på ett chip

SERS använder en metallyta med nanoskala grovhet för att förbättra svaga signaler som produceras när ljus interagerar med ett prov. På grund av dess höga känslighet, spektroskopitekniken kan detektera analyter i extremt små volymer. Även om SERS har använts för känslig och selektiv detektion av proteaser, detta har bara visats med hjälp av en skrymmande Raman-mikroskopi.

Nyligen, nanoplasmoniska slotvågledare har dykt upp som ett nytt sätt att effektivt excitera och samla in SERS-signaler. Dessa vågledare består av två skenor som bildar ett litet gap genom vilket ljus kan ledas. Att belägga insidan av gapet med guld nanostrukturer kan användas för att producera SERS-effekten. På grund av deras ringa storlek, vågledare kan införlivas på lab-on-a-chip-enheter, möjliggör samtidig mätning av många analyter för upptäckt av läkemedel med hög genomströmning.

För att se om dessa nanoplasmoniska slotvågledare skulle vara användbara för SERS-detektion av proteaser, forskarna tillverkade en vågledare och designade ett experiment för att detektera trypsinproteaset. De skapade ett specifikt peptidsubstrat för trypsin som binder till guldnanostrukturen. När trypsinpeptiden klyver till substratet, en del av substratet diffunderar bort, skapa en detekterbar minskning av intensiteten för SERS-spektrumet.

Deras experiment avslöjade en 70% minskning av SERS-intensiteten efter en timmes trypsininkubation, visar att nanoplasmoniska slitsvågledare kan användas för att detektera trypsin. Forskarna arbetar nu med att utöka sin plattform så att den kan upptäcka aktiviteten hos två eller flera proteaser samtidigt. Arbetet var ett samarbete mellan Gent University-imec och det flamländska institutet för bioteknologi (VIB) under ledning av professorerna Roel Baets och Kris Gevaert.