Multi-welled mikroplatta, länge ett standardverktyg inom biomedicinsk forskning och diagnostiska laboratorier, kan bli ett minne blott tack vare ny elektronisk biosenseringsteknik som utvecklats av ett team av mikroelektronikingenjörer och biomedicinska forskare vid Georgia Institute of Technology.

I huvudsak uppsättningar av små provrör, mikroplattor har använts i årtionden för att samtidigt testa flera prover för deras reaktioner på kemikalier, levande organismer eller antikroppar. Fluorescens eller färgförändringar i märkningar associerade med föreningar på plattorna kan signalera närvaron av särskilda proteiner eller gensekvenser.

Forskarna hoppas kunna ersätta dessa mikroplattor med modern mikroelektronikteknik, inklusive engångsarrayer som innehåller tusentals elektroniska sensorer anslutna till kraftfulla signalbehandlingskretsar. Om de lyckas, denna nya elektroniska biosensingplattform kan hjälpa till att förverkliga drömmen om personlig medicin genom att möjliggöra sjukdomsdiagnos i realtid - eventuellt på en läkarmottagning - och genom att hjälpa till att välja individualiserade terapeutiska tillvägagångssätt.

"Denna teknik kan hjälpa till att underlätta en ny era av personlig medicin, sa John McDonald, chefsforskare vid Ovarian Cancer Institute i Atlanta och professor vid Georgia Tech School of Biology. "En enhet som denna kan snabbt upptäcka genmutationer som tyder på cancer hos individer och sedan avgöra vad som skulle vara den optimala behandlingen. Det finns många potentiella applikationer för detta som inte kan göras med nuvarande analytisk och diagnostisk teknologi."

Grundläggande för det nya biosensingsystemet är förmågan att elektroniskt upptäcka markörer som skiljer mellan friska och sjuka celler. Dessa markörer kan vara skillnader i proteiner, mutationer i DNA eller till och med specifika nivåer av joner som finns i olika mängder i cancerceller. Forskare hittar fler och fler skillnader som dessa som kan utnyttjas för att skapa snabba och billiga elektroniska detekteringstekniker som inte förlitar sig på konventionella etiketter.

”Vi har satt ihop flera nya nanoelektroniktekniker för att skapa en metod för att göra saker på ett helt annat sätt än vad vi har gjort, ”Sa Muhannad Bakir, en docent vid Georgia Techs School of Electrical and Computer Engineering. ”Det vi skapar är en ny avkänningsplattform för allmänna ändamål som drar nytta av det bästa av nanoelektronik och tredimensionell elektronisk systemintegration för att modernisera och lägga till nya applikationer till den gamla mikroplatta-applikationen. Detta är ett äktenskap mellan elektronik och molekylärbiologi. ”

De tredimensionella sensoruppsättningarna är tillverkade med konventionella billiga, mikroelektronik-teknik uppifrån och ner. Även om befintliga provberednings- och laddningssystem kan behöva ändras, de nya biosensormatriserna bör vara kompatibla med befintliga arbetsflöden i forsknings- och diagnoslabb.

"Vi vill göra dessa enheter enkla att tillverka genom att dra fördel av alla framsteg som gjorts inom mikroelektronik, samtidigt som användbarheten för klinikern eller forskaren inte förändras väsentligt, " sa Ramasamy Ravindran, en forskarassistent vid Georgia Techs Nanotechnology Research Center och School of Electrical and Computer Engineering.

En viktig fördel med plattformen är att avkänning kommer att göras med låg kostnad, engångskomponenter, medan informationsbehandling kommer att göras av återanvändbara konventionella integrerade kretsar anslutna tillfälligt till arrayen. Ultrahögtäthet fjäderliknande mekaniskt kompatibla kontakter och avancerade "genom-kiselvias" kommer att göra de elektriska anslutningarna samtidigt som tekniker kan byta ut biosensormatriserna utan att skada den underliggande kretsen.

Genom att separera avkännings- och bearbetningsdelarna kan tillverkningen optimeras för varje typ av enhet, noterar Hyung Suk Yang, en forskarassistent som också arbetar i Nanotechnology Research Center. Utan separationen, de typer av material och processer som kan användas för att tillverka sensorerna är starkt begränsade.

Känsligheten hos de små elektroniska sensorerna kan ofta vara större än nuvarande system, möjliggör att sjukdomar kan upptäckas tidigare. Eftersom provbrunnarna kommer att vara väsentligt mindre än de för nuvarande mikroplattor - vilket tillåter en mindre formfaktor - kan de tillåta mer testning med en given provvolym.

Tekniken kan också underlätta användningen av ligandbaserad avkänning som känner igen specifika genetiska sekvenser i DNA eller messenger-RNA. "Detta skulle mycket snabbt ge oss en indikation på de proteiner som uttrycks av den patienten, som ger oss kunskap om sjukdomstillståndet vid vårdpunkten, ”Förklarade Ken Scarberry, en postdoktor i McDonalds labb.

Än så länge, forskarna har demonstrerat ett biosensingssystem med kisel-nanotrådssensorer i en 16-brunnars enhet byggd på en centimeter för en centimeter chip. Nanotrådarna, bara 50 gånger 70 nanometer, differentierade mellan äggstockscancerceller och friska äggstocksepitelceller vid en mängd olika celldensiteter.

Silicon nanotrådssensorteknologi kan användas för att samtidigt detektera ett stort antal olika celler och biomaterial utan märkning. Utöver den mångsidiga tekniken, biosensing-plattformen skulle kunna rymma ett brett utbud av andra sensorer – inklusive teknologier som kanske inte existerar ännu. I sista hand, hundratusentals olika sensorer kan inkluderas på varje chip, tillräckligt för att snabbt upptäcka markörer för ett brett spektrum av sjukdomar.

”Vår plattformsidé är verkligen sensoragnostisk, sa Ravindran. "Det kan användas med många olika sensorer som människor utvecklar. Det skulle ge oss en möjlighet att samla många olika sorters sensorer i ett enda chip. ”

Genetiska mutationer kan leda till ett stort antal olika sjukdomstillstånd som kan påverka patientens svar på sjukdom eller medicinering, men nuvarande märkta avkänningsmetoder är begränsade i sin förmåga att detektera ett stort antal olika markörer samtidigt.

Kartläggning av enkla nukleotidpolymorfismer (SNP), variationer som står för cirka 90 procent av mänsklig genetisk variation, kan användas för att bestämma en patients benägenhet för en sjukdom, eller deras sannolikhet att dra nytta av ett särskilt ingripande. Den nya biosenseringstekniken kan göra det möjligt för vårdgivare att ta fram och analysera SNP-kartor vid vårdpunkten.

Även om många tekniska utmaningar kvarstår, förmågan att screena för tusentals sjukdomsmarkörer i realtid har biomedicinska forskare som McDonald upphetsat.

”Med tillräckligt många sensorer där inne, du kan teoretiskt sett lägga alla möjliga kombinationer på arrayen, " han sa. ”Detta har inte ansetts möjligt förrän nu eftersom det troligtvis inte är möjligt att göra en array som är tillräckligt stor för att upptäcka dem alla med nuvarande teknik. Men med mikroelektronikteknik, du kan enkelt inkludera alla möjliga kombinationer, och det förändrar saker."

Dokument som beskrev bioavkänningsenheten presenterades vid Electronic Components and Technology Conference och International Interconnect Technology-konferensen i juni 2010.