Att söka efter biomarkörer som kan varna för sjukdomar som cancer medan de fortfarande är i sitt tidigaste stadium kommer sannolikt att bli mycket lättare tack vare ett innovativt biosensorchip som utvecklats av forskare vid Stanford University.

Sensorn är upp till 1, 000 gånger känsligare än någon teknik som nu används kliniskt, är korrekt oavsett vilken kroppsvätska som analyseras och kan detektera biomarkörproteiner över ett intervall av koncentrationer som är tre gånger bredare än någon befintlig metod, säger forskarna.

Nanosensorchippet kan också söka efter upp till 64 olika proteiner samtidigt och har visat sig vara effektivt vid tidig upptäckt av tumörer hos möss, vilket tyder på att det kan öppna dörren till betydligt tidigare upptäckt av även de mest svårfångade cancerformerna hos människor. Sensorn kan också användas för att upptäcka markörer för andra sjukdomar än cancer.

"I det tidiga skedet [av en cancer], nivån av proteinbiomarkörer i blodet är mycket, väldigt låg, så du behöver ultrakänslig teknik för att upptäcka det, sa Shan Wang, professor i materialvetenskap och teknik och i elektroteknik, och senior författare till en artikel som beskriver sensorn, som publicerades online på Naturmedicin s webbplats den 11 oktober. "Om du kan upptäcka det tidigt, du kan ha ett tidigt ingripande och du har en mycket bättre chans att bota den personen."

Wang sa att nanosensorteknologin också kan tillåta läkare att snabbt avgöra om en patient svarar på en viss kemoterapikur. "Vi kan veta på dag två eller dag tre av behandlingen om det fungerar eller inte, istället för en månad eller två senare, " han sa.

Sensorn Wang och hans kollegor har skapat, som använder nanoteknik för magnetisk detektering som de hade utvecklat tidigare, kan upptäcka en given cancerassocierad proteinbiomarkör i en koncentration så låg som en del av hundra miljarder (eller 30 molekyler i en kubikmillimeter blod).

Även om grunderna för den magnetiska detektionsteknologin som används i den nya biosensorn beskrevs förra året i en artikel i Proceedings of the National Academy of Sciences, den nya sensorn är inte bara känsligare än den tidigare i flera storleksordningar, den överträffar också sin föregångare - och detektionsmetoder som nu används - på flera andra sätt.

Tidig upptäckt av tumörer hos möss

Den mest imponerande prestandavinsten som beskrivs i Naturmedicin uppsatsen är att forskarna nu har visat att magneto-nano-sensorn framgångsrikt kan upptäcka cancertumörer i möss när nivåerna av cancerassocierade proteiner fortfarande är långt under de koncentrationer som kan detekteras med den nuvarande standardmetodiken, känd under akronymen ELISA.

"Det är ett kritiskt fynd för oss eftersom det säger att i en realistisk biologisk tillämpning - den med tumörtillväxt hos möss - kan vi faktiskt se tumörer innan något annat kunde ha upptäckt dem, sa Sam Gambhir, professor i radiologi vid Stanford.

"Jag skulle säga att PNAS-pappret är ett bevis på teknikens koncept, och den Naturmedicin papper är ett bevis på att tekniken fungerar i en verklig tillämpning, ", sa han. "Det är en sak att få tekniken att visa att den kan fungera i princip; det är en helt annan sak att faktiskt använda det med riktiga musblodprover från en riktig mus som växer en riktig tumör."

I den Naturmedicin papper, forskarna visar att den nya magneto-nano-sensorn har ett brett spektrum av känslighet, från minutmängden som beskrivits tidigare till koncentrationer sex storleksordningar, eller en miljon gånger, större. De bästa befintliga analysmetoderna, eller analyser, vid klinisk användning kan detektera proteiner över ett intervall av koncentrationer av högst två storleksordningar.

De flesta av de avkänningsplattformar som för närvarande används är också begränsade till att utföra en enda analys åt gången, men eftersom magneto-nano-sensorerna är anslutna till ett mikrochip i en uppsättning av 64 sensorer, som var och en kan ställas in för att detektera ett annat protein, forskarna kan söka efter upp till 64 olika proteiner samtidigt under en enda analys, vilket vanligtvis tar en till två timmar - mycket mindre än de flesta befintliga analyser.

Forskarna visade också att sensorn är lika effektiv i alla troliga biologiska vätskor, eller matris, som en läkare skulle vilja analysera för cancerrelaterade proteiner. Dessa vätskor inkluderar urin, saliv, blodplasma (blod med blodkropparna borttagna), serum (blodplasma med de faktorer som främjar koagulering avlägsnade) och cellysat (namnet som används på den cellulära gryta som produceras genom upplösning av celler).

"Tanken att du i huvudsak kan, på en enda analysplattform, mäta en bred mångfald av biomolekyler som befinner sig i ett så stort intervall av koncentrationer med en sådan känslighet är verkligen, verkligen anmärkningsvärt, sa Charles Drescher, en professor i obstetrik och gynekologi vid University of Washington i Seattle, som inte var involverad i forskningen. "Jag tror att vi alla kommer att vara väldigt exalterade om det här verkligen slår ut."

Nyckeln till mångsidigheten hos magneto-nano-sensorn och det breda spektrum av koncentrationer den kan upptäcka ligger i användningen av magnetism.

Hur magnetiska nanotaggar avslöjar stenbrottet

Den grundläggande mekanismen för detektion som används i magneto-nano-sensorerna är att fånga antigener - skadliga föreningar som produceras och avges av cancercellerna - med hjälp av antikroppar som naturligt tenderar att binda till antigenerna. Antikropparna, kallad "fånga antikroppar, " appliceras på en sensor, så att när matrisen av intresse placeras på sensorchipset, de lämpliga antigenerna binder.

Medan antigenerna hålls fasta, ytterligare en klick av antikropparna appliceras. Dessa antikroppar attraheras av antigenerna som finns på sensorerna, och genom att binda till dem effektivt försegla antigenerna inuti en antikroppssandwich. Forskarna applicerar sedan en tvätt som innehåller magnetiska nanopartikeltaggar som har skräddarsytts för att passa specifika antikroppar. De magnetiska nanotaggarna fäster sig på den yttre antikroppen på smörgåsen, där de förändrar det omgivande magnetfältet på ett litet men distinkt och detekterbart sätt som avkänns av detektorn.

De proteindetektionsanalyser som för närvarande används bygger på en mängd olika mekanismer, som att mäta elektrisk laddning, fluorescerande signaler eller pH, som alla är benägna att störa från den biologiska matrisen i vilken de önskade proteinerna finns. Även om en viss analys kan vara bra för att bedöma ett proteins koncentration i urin, till exempel, det kan fungera dåligt när det appliceras på ett blodprov, eftersom skillnader i matrisens sammansättning påverkar egenskaper som pH eller elektrisk laddning.

"Våra sensorer har visat sig vara ganska okänsliga för matris, så det är ett annat nyckelelement ur vetenskaplig synvinkel, " sa Wang. Som ett exempel, han sa, "Vi vet att i saliv och blod, de har helt olika pH-värden och olika kemi, men de är alla omagnetiska. Magnetiskt är de precis som luft. Så det stör inte vår mekanism [detektion]."

De flesta av de analyser som för närvarande används kan endast detektera proteiner över ett smalt koncentrationsområde innan interferens av något slag försämrar analysens känslighet. Det kan kräva att en serie analyser utförs på ett prov spätt till olika styrkor, för att få ihop en komplett bild av ett proteins koncentration i matrisen. Men igen, genom att använda magnetisk detektion, Wang och hans kollegor kan kringgå sådan signalförsämring.

"Med den höga känsligheten och det breda utbudet kan vi titta på en stor panel av proteiner över ett brett spektrum av koncentrationer, och med matrisokänslighet, vi kan titta på dem i olika vätskor, sade Richard Gaster, MD/PhD kandidat i bioteknik och medicin, och första författare på Naturmedicin papper. "Vi behöver inte skräddarsy var vi letar, vi kan titta på allt samtidigt." Det ger besparingar i tid, som, när sensorn kommer till kommersiell användning, kommer också att översättas till monetära besparingar.

En annan fördel med tekniken, Wang sa, är att den använder befintlig teknik som redan används inom datalagrings- och halvledarindustrin och på grund av det, han lade till, — Det går att göra relativt billigt.

"Det är samma sensor som du använder i en hårddisk för att läsa tillbaka en hårddisk, sa han. Väldigt lik den där.

Ett av nästa steg i forskningen, Wang sa, är att testa magneto-nano-sensorerna på mänskliga blodprov tagna från en långtidsstudie där forskare tog blodprover från försökspersoner innan någon av dem fick diagnosen cancer. För detta ändamål, Stanford-teamet kommer att samarbeta med Fred Hutchison Cancer Research Center i Seattle och Canary Foundation, en ideell organisation som fokuserar på tidig diagnos av cancer.

"Vi kan faktiskt använda vår teknik för att studera alla dessa prover och vi kanske kan säga ett år före eller ett halvt år före eller tre månader före diagnosen, " Sa Wang. "Det arbetet kommer att bli extremt intressant."

Källa:Stanford University (nyheter:webb)