Biosensorer mäter koncentrationen av molekyler i biologiska prover för biomedicinska, miljö, och industriella tillämpningar, och, helst, de ska ge realtid, kontinuerliga data. Dock, den kontinuerliga övervakningen av små molekyler vid låga koncentrationer är problematisk. Forskare vid Eindhoven tekniska universitet har utvecklat ett innovativt avkänningsmetod baserat på molekylära lookalikes. Detta kan visa sig vara avgörande för framtida biosensorer för övervakning av hälsa och sjukdomar.

Området biosensorer har en rik och uppfinningsrik historia. "Biosensors fader" ses av många som Leland C. Clark Jr., som konstruerade en sensor för att mäta syre i blod i början av 1960 -talet.

Dock, som sker i banbrytande verk, saker började inte som han hade hoppats. Hans första sensordesign misslyckades eftersom blodkomponenter påverkade avkänningselektroden.

Clarks lösning var att separera elektroden och blodet med en cellofanförpackning från ett cigarettpaket, vilket visade sig vara den lösning som behövs för att på ett tillförlitligt sätt mäta syre i blod. Ett utmärkt exempel på att vara kreativ och innovativ i laboratoriet!

Snabbspolning fram till 2020, och forskare från institutionerna för biomedicinsk teknik och tillämpad fysik vid TU/e ​​visar liknande uppfinningsrikedom när det gäller att känna av lågmassamolekyler av intresse.

I ett papper publicerat i ACS -sensorer , Junhong Yan, Menno Prins, och kollegor visar upp ett nytt tillvägagångssätt som kontinuerligt kan mäta koncentrationen av lågmassamolekyler av intresse i biologiska prover baserat på biosensing genom partikelmobilitet (BPM).

"Vår strategi är en plattform för framtida biosensorer för att kontinuerligt övervaka markörer som är associerade med personliga hälsotillstånd, såsom njur- eller leversvikt, "säger Yan.

Biosensorer 101

Befintliga biosensorer ger vanligtvis ett enda mätresultat från ett enda biologiskt prov. Provet kan vara blod, svettas, urin, eller saliv, och resultatet kan vara nivån på ett protein, ett hormon, en drog, eller ett virus i provet.

Dock, det vore bättre om sensorer ger en kontinuerlig dataström snarare än bara en enda datapunkt, eftersom det skulle göra det möjligt för en individ att övervaka hur ett medicinskt tillstånd utvecklas över tid.

Den enda kontinuerliga biosensorn som för närvarande är kommersiellt tillgänglig är Continuous Glucose Monitor (CGM) som kontinuerligt mäter glukos i interstitiell hudvätska, vilket är mycket användbart för personer med diabetes. Tyvärr, andra molekyler än glukos kan ännu inte mätas kontinuerligt. Detta ger en betydande möjlighet för sensorinnovation!

Varje biosensor består av tre huvuddelar - en molekylkomponent som involverar en bioreceptor som kan binda till molekylen av intresse, en transducerande princip som omvandlar molekylärigenkänningen till en detekterbar signal, och ett detekteringssystem som registrerar signalen och presenterar svaret som ett tal, Graf, ljud, eller ljusindikering som lätt ska tolkas av användaren.

"I detta arbete har vi fokuserat på den första delen - att ta fram en molekylär princip för att kontinuerligt mäta intressanta molekyler med låg molekylmassa och låg koncentration, säger Prins.

Molekylära lookalikes

Sensorn designad av Yan, Prins, och teamet antog användningen av molekylära lookalikes eller falska versioner av intressanta molekyler.

Så hur hjälper dessa likartade molekyler till upptäckten av de verkliga molekylerna? Menno Prins förklarar mer:"Sensorns yta är belagd med antikroppar som kan binda till intressanta molekyler. När det inte finns några molekyler i testvätskan, de likalika molekylerna är fria att binda till antikropparna. Dock, när det finns molekyler av intresse för vätskan, dessa kan binda till antikropparna. Som ett resultat, lookalikes frigörs från deras bindning till antikropparna. "

De likartade molekylerna rör sig inte fritt runt sensorn som molekylerna av intresse gör i en testvätska. Dessa likartade molekyler är fästa vid en mikropartikel, som är bunden till sensorns yta med hjälp av DNA så att växling mellan bundna och obundna tillstånd kan detekteras.

Bindning är nyckeln

Funktionen för avkänningsplattformen är ganska enkel, och lysande måste det sägas. Alla molekylära bindningshändelser är utformade för att vara reversibla. Detta inkluderar bindningen mellan antikroppar och lookalikes, och bindningen mellan antikropparna och molekylerna av intresse för lösning.

Upprepade bindnings- och avbindande händelser som involverar de likartade molekylerna eller molekylerna av intresse i en vätska äger rum, och dessa händelser kan enkelt mätas med optisk mikroskopi genom att registrera mikropartikelns tillstånd.

När det finns en hög koncentration av molekylerna av intresse i en lösning, då blockeras de flesta antikropparna på sensorytan. Detta minskar möjligheten för mikropartiklarna att byta till ett bundet tillstånd. Å andra sidan, när koncentrationen är låg, då sker många växlingar mellan bundna och obundna tillstånd på grund av de reversibla bindningarna av molekylära lookalikes.

"Detektering av bindande och avbindande händelser för ett stort antal partiklar orsakade av de specifika molekylära interaktionerna är nyckeln till tekniken, tillåter oss att mäta små förändringar av molekylkoncentrationen i vätskan, "säger Yan.

Godkända tester och nästa steg

För att testa deras nya tillvägagångssätt, författarna utformade sensorer för att övervaka koncentrationerna av korta enkelsträngade DNA-fragment och kreatinin. Koncentrationerna övervakades under timmar, med en tidsupplösning på några minuter.

Kreatinin är en metabolitmolekyl med en liten massa på endast 113 Dalton som är en markör för njurfunktionen. Markören kunde mätas i det medicinskt relevanta intervallet mellan 10 μM och 10 mM. Ensträngat DNA kunde mätas mellan 10 nM och 1 μM.

"Dessa resultat är mycket lovande och visar att små molekyler kontinuerligt kan övervakas över ett stort antal koncentrationer. Vårt nästa mål är att demonstrera tekniken för en mängd olika molekyler och biologiska vätskor, för att möjliggöra framtida applikationer inom vården, och inom industriell process och miljöövervakning, säger Prins.

Denna innovativa avkänningsmetod kan mycket väl lösa problem med upptäckt av lågmolekylära biomarkörer för våra framtida biosensorbehov.

Även om tillvägagångssättet är lite mer sofistikerat än användningen av cellofanomslag på en elektrod, det är ganska troligt att den sena Leland C. Clark Jr. skulle ha blivit imponerad.