(PhysOrg.com) -- Ett team av utredare från University of Toronto har använt nanomaterial för att utveckla ett billigt mikrochip som är tillräckligt känsligt för att snabbt fastställa typen och svårighetsgraden av en patients cancer så att sjukdomen kan upptäckas tidigare för mer effektiv behandling. Deras arbete, rapporterade i två artiklar publicerade i tidskrifterna ACS Nano och Naturens nanoteknik , skulle kunna förebåda en era när billig men ändå sofistikerad molekylär diagnostik kommer att bli vardag.
Forskarnas nya enhet kan lätt upptäcka signaturbiomarkörerna som indikerar förekomsten av cancer på cellnivå, även om dessa biomolekyler - gener som indikerar aggressiva eller godartade former av sjukdomen och särskiljer undertyper av cancern - i allmänhet endast finns i låga nivåer i biologiska prover. Analysen kan slutföras på 90 minuter, en betydande förbättring jämfört med de befintliga diagnostiska förfaranden som i allmänhet tar dagar.
"I dag, det krävs ett rum fyllt med datorer för att utvärdera ett kliniskt relevant urval av cancerbiomarkörer och resultaten är inte snabbt tillgängliga, ", sade teamets co-leader Shana Kelley. "Vårt team kunde mäta biomolekyler på ett elektroniskt chip i storleken på din fingertopp och analysera provet inom en halvtimme. Instrumenteringen som krävs för denna analys kan finnas i en enhet lika stor som en BlackBerry."
Nanoelektrodenheten som Kelley, samarbetspartner Edward Sargent, och deras elever skapade kan upptäcka sjukdomsrelaterade gener utan användning av PCR för att amplifiera lågnivå-DNA. Elektroderna, som är huvudkomponenten i enheten, har en ny mycket förgrenad nanostrukturerad form som kan detektera atomolära koncentrationer av DNA. Med hjälp av uppsättningar av elektroder, var och en skiljer sig åt i graden av nanostrukturerad förgrening, utredarna kunde konstruera en enhet som kunde känna av DNA-molekyler över sex storleksordningar, övervinna det dynamiska intervallet - möjligheten att upptäcka både vanliga och sällsynta molekyler - som har plågat andra enheter.
Utredarna tillverkade dessa enheter med hjälp av en standardmikrochipproduktionsprocess känd som fotolitografi för att skapa det grundläggande elektrodnätet som behövs för att mäta flera biomarkörer samtidigt, och använde sedan en andra teknik som kallas elektroavsättning för att växa de grenade nanostrukturerna på elektroderna, styra storleken på varje elektrod genom att variera tiden under vilken elektrodavsättning inträffade. Med elektroderna på plats, utredarna belade dem sedan med olika DNA-bindande molekyler kända som peptid-nukleinsyror, eller PNA, som kan utformas för att binda till en specifik gensekvens. När en bit av DNA binder till dess komplementära DNA- eller RNA-molekyl, det utlöser en kemisk reaktion som förändrar den elektriska signalen som genereras av den associerade elektroden.
Genom att använda sin enhet, utredarna analyserade budbärar-RNA-prover från prostatacancerbiopsier. Deras analys visade att enheten kan upptäcka genfusioner som är karakteristiska för prostatacancer. Mer viktigt, enheten kunde skilja mellan genfusioner associerade med antingen snabba eller långsamt växande former av prostatacancer.
Uppsatsen som beskriver konstruktionen av denna nanobiosensor heter, "Programmering av detektionsgränserna för biosensorer genom kontrollerad nanostrukturering." Ett sammandrag av denna artikel finns tillgänglig på tidskriftens webbplats.
Uppsatsen som beskriver användningen av nanobiosensorn för att upptäcka och karakterisera cancer har titeln, "Direkt profilering av cancerbiomarkörer i tumörvävnad med hjälp av en multiplexerad nanostrukturerad mikroelektrod integrerad krets." En sammanfattning av denna artikel finns tillgänglig på tidskriftens webbplats.
Tillhandahålls av National Cancer Institute (nyheter:webb)
