(PhysOrg.com) -- 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 utvecklat 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.
Nanosensorchipet söker också 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. Forskarna publicerade sin beskrivning av deras magnetiska nanosensor i tidskriften Naturmedicin .
"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, Ph.D., vid Stanford University och en medlem av Center for Cancer Nanotechnology Excellence Focused on Therapy Response (Stanford CCNE). "Om du kan upptäcka det tidigt, du kan ha 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 som Wang och hans kollegor skapade, 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 detekteringstekniken som används i den nya biosensorn beskrevs förra året i ett papper i Förfaranden från National Academy of Sciences , den nya sensorn är inte bara känsligare än den tidigare i flera storleksordningar, det överträffar också sin föregångare, såväl som detektionsmetoder som nu används kliniskt, på flera andra sätt.
Den mest imponerande prestationsvinsten som beskrivs i Nature Medicine-dokumentet är att forskarna nu har visat att den magnetiska nanosensorn framgångsrikt kan upptäcka cancertumörer hos möss när nivåerna av cancerassocierade proteiner fortfarande ligger långt under de koncentrationer som kan upptäckas med den nuvarande standardmetoden, känd under förkortningen 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 Sanjiv Gambhir, M.D., Ph.D., chefsutredare för Stanford CCNE.
"Jag skulle säga att det [första dokumentet] var ett bevis på teknikens koncept, och Nature Medicine-papperet är ett bevis på konceptet för tekniken som 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 den med riktiga musblodprover från en riktig mus som odlar en riktig tumör."
I Nature Medicine-tidningen, forskarna visar att den nya magnetiska nanosensorn har ett brett spektrum av känslighet, från del-per-miljard nivåer 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 avkänningsplattformar som för närvarande används är också begränsade till att utföra en enda analys åt gången. För att skapa en multiplexad analys, Wang och hans kollegor fästde magnet-nanosensorerna på ett mikrochip i en uppsättning av 64 sensorer, som var och en kan ställas in för att detektera ett annat protein. Som ett resultat, forskarna kan söka efter dussintals olika proteiner samtidigt under en enda analys. Den nya metoden är också snabbare än vanliga ELISA-analyser, med resultat vanligtvis tillgängliga på en till två timmar.
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).
Nyckeln till mångsidigheten hos den magnetiska nanosensorn och det breda spektrum av koncentrationer den kan detektera ligger i dess användning av magnetism och det breda utbudet av ultrakänsliga magnetiska detektorer som utvecklats för datorindustrin. Den grundläggande mekanismen för detektion som används i magnetiska nanosensorer är att fånga proteiner och sjukdomsmarkörer med hjälp av antikroppar som naturligt tenderar att binda till dessa molekyler, känd som antigener. 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, en annan klick antikroppar appliceras. Dessa antikroppar attraheras till en annan molekylär region av antigenerna som hålls på sensorerna, och när den andra uppsättningen antikroppar binder till antigener, de effektivt förseglar dem i en antikroppssmörgås. Forskarna applicerar sedan en tvätt som innehåller magnetiska nanopartiklar som har anpassats 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 detekteras av detektorn.
En annan fördel med tekniken, Wang sa, är att den använder befintlig teknik som redan används inom datalagrings- och halvledarindustrin. På grund av det, "Den kan tillverkas relativt billigt. Den är [liknar] samma sensor som du använder i en hårddisk för att läsa tillbaka en hårddisk, " han sa.
Ett av nästa steg i forskningen, Wang sa, är att testa de magnetiska nanosensorerna på mänskliga blodprov tagna från en långtidsstudie där forskare tog blod 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.
Detta jobb, som beskrivs i en artikel med titeln, "Matrisokänsliga proteinanalyser skjuter gränserna för biosensorer inom medicin, " fick stöd av NCI Alliance for Nanotechnology in Cancer, ett omfattande initiativ utformat för att påskynda tillämpningen av nanoteknik för att förebygga, diagnos, och behandling av cancer. Utredare från MagArray Inc., deltog också i denna studie. En sammanfattning av denna artikel finns tillgänglig på tidskriftens webbplats.
Tillhandahålls av National Cancer Institute (nyheter:webb)
