Forskare från Prokhorov General Physics Institute vid Ryska vetenskapsakademin och Moskvas institut för fysik och teknologi har utvecklat en ny metod för att diagnostisera och övervaka autoimmuna sjukdomar. På bara 25 minuter, deras nya biosensor mäter inte bara koncentrationen av autoantikroppar i humant blodserum med extremt hög känslighet, men också – för första gången – kvantifierar deras aktivitet. Kombinationen av dessa parametrar möjliggör utarbetandet av nya diagnostiska kriterier för autoimmuna sjukdomar, samt nya tillvägagångssätt för deras behandling. Tidningen publicerades i Biosensorer och bioelektronik , den högst rankade vetenskapliga tidskriften inom området biosensorteknologi och analytisk kemi.

Autoantikroppar som produceras av immunsystemet misstolkar organismens celler och organ som mål, orsakar autoimmuna sjukdomar. Autoantikropparna är förknippade med mer än 80 allvarliga autoimmuna sjukdomar, allt från reumatoid artrit, psoriasis, och lupus till multipel skleros och typ 1-diabetes. Många av dem kräver livslång vård och behandling för att lindra lidande.

Autoantikroppar finns i blodet hos cirka 10 % av befolkningen. På grund av en hög förekomst av autoimmuna sjukdomar, den ekonomiska effekten är enorm och uppskattas för vissa länder vara dubbelt så stor som cancer. Autoantikroppar förekommer i blodet långt innan klinisk debut, och deras egenskaper kan användas för att förutse sjukdomsaktivitet och svårighetsgrad.

För närvarande, behandlingen av autoimmuna sjukdomar är avsevärt komplicerad på grund av dramatiska variationer i resultaten av kommersiella tester från olika tillverkare.

"Beroende på laboratoriet som kör testet, och den metod som används, autoantikroppskoncentrationen uppmätt i samma prov vid samma tidpunkt kan variera med en faktor 10, " säger en av tidningens författare Alexey Orlov, en senior forskare vid Biophotonics Lab vid GPI RAS och Nanobiotechnology Lab vid MIPT, en 2010 examen från MIPT. "Faktiskt, ingen kunde förlita sig på autoantikroppskoncentration som en kvantitativ parameter för att utvärdera terapieffektiviteten."

Sådana inkonsekvenser i testresultaten härrör från autoantikropparnas komplexa natur. En autoantikropp innefattar en uppsättning av många heterogena molekyler som interagerar med varandra och med ett mål på väsentligt olika sätt. Tills nu, ingen teknik har gett kapacitet att ta hänsyn till denna faktor.

Också, befintliga metoder, används ofta i klinisk praxis, ger inte möjlighet att karakterisera antikroppsaktivitet – parametern som visar hur destruktiva antikropparna är för målvävnader. Författarna har utvecklat ett verktyg som löser båda frågorna samtidigt:Det utför snabba högkänslighetsmätningar av autoantikroppars aktivitet och koncentration.

En annan innovativ egenskap är den samtidiga bestämningen i ett enda prov av koncentrationen och aktiviteten av autoantikroppar mot flera mål. Ett sådant tillvägagångssätt ökar väsentligt den diagnostiska fördelen med lösningen eftersom olika nivåer av autoantikroppar mot olika mål kan vara indikativa för distinkta sjukdomar. En korrelationsanalys av data som erhålls samtidigt på flera autoantikroppar kan avsevärt förbättra diagnostikens noggrannhet.

"Det är därför vi kallar vårt system multiplex, eller multiparametrisk, " nämner studiens medförfattare Averyan Pushkarev, en MIPT-doktorand och 2018 års alumn. "En stark fördel är de förbrukningsvaror som används i vår teknik:Vi använder ett standardmikroskop täckglas. Dess låga kostnad är särskilt viktig för massmedicinsk diagnostik, som kräver engångsförbrukningsartiklar."

Medan studien visar den samtidiga karakteriseringen av antikroppar mot två mål, teamet arbetar på att öka det antalet. Med hjälp av mikrochipstekniken, till exempel, tusentals mål i storleken 100 mikron kan deponeras på en glasskiva.

I den nya tekniken, en droppe patientblodserum passerar över glasglasytan. Om det finns antikroppar i serumet, de hittar sina mål avsatta på glaset och binder till dem, öka bioskiktets tjocklek på glaset. Under glaset, det finns ett interferometrisystem utvecklat vid GPI RAS. Denna unika optiska läsare möjliggör mätningar i realtid av tjockleken på det molekylära lagret på varje punkt på glasytan.

"En fundamentalt viktig detalj:Till skillnad från en mängd andra metoder, vi har autoantikropparna interagerar med rörliga mål snarare än de som är immobiliserade på en yta, ", tillägger Orlov. "Detta är den första lösningen någonsin som tillåter undersökning av autoantikroppsinteraktion med mål i deras naturliga form och miljö, eftersom de finns i en levande organism."

Detta uppnås enligt följande:När en autoantikropp väl binder till ett mål på glaset, forskarna pumpar en lösning av fria målmolekyler längs glaset. Vid det tillfället, författarna implementerar ett tillvägagångssätt som ingen har kunnat omsätta i praktiken för den nämnda viktiga uppgiften. Varje autoantikropp har ett eller flera igenkänningsfragment, kända som Fab-fragment eller "händer", som kan känna igen och ta tag i mål. I testet, en autoantikropp tar tag i det immobiliserade målet med ena "handen" och använder de andra för att fånga mobila mål från serumprovet. Denna process levererar kvantitativa data om den faktiska (native) aktiviteten hos antikroppar. Dessutom, denna inställning, å ena sidan, tillhandahåller immobilisering av autoantikroppar på glaset i deras naturliga form; och å andra sidan, minimerar bindningen av främmande komponenter som kan påverka resultaten.

"Vi har utvecklat inte bara ett effektivt diagnostiskt test utan också ett unikt verktyg för undersökning av autoantikroppar, " kommenterar tidningens seniorförfattare Petr Nikitin, som leder Biophotonics Lab vid GPI RAS och är 1979 utexaminerad från MIPT. "Med hjälp av patientblodprover, vi har visat att den kvantitativa parametern för autoantikroppsaktivitet är oberoende av deras koncentration. Klinikerna har nu ett verktyg för att kvantitativt övervaka båda nyckelparametrarna under en sjukdomsförlopp, och utveckla nya avancerade metoder för diagnostik och behandling av autoimmuna sjukdomar."