Stanford -forskare har utvecklat ett nytt biosensormikrochip som avsevärt kan påskynda läkemedelsutvecklingen. Mikrochipsen, packad med mycket känsliga "nanosensorer, "analysera hur proteiner binder till varandra, ett kritiskt steg för att utvärdera effektiviteten och eventuella biverkningar av en potentiell medicinering.

En enda centimeter stor uppsättning nanosensorer kan samtidigt och kontinuerligt övervaka tusentals gånger fler proteinbindande händelser än någon befintlig sensor. Den nya sensorn kan också upptäcka interaktioner med större känslighet och leverera resultaten betydligt snabbare än den nuvarande "guldstandard" -metoden.

"Du kan passa tusentals, även tiotusentals, av olika proteiner av intresse på samma chip och kör proteinbindande experiment i ett skott, "sa Shan Wang, professor i materialvetenskap och teknik, och elektroteknik, som ledde forskningsinsatsen.

"I teorin, i ett test, du kan titta på ett läkemedels affinitet för varje protein i människokroppen, "sade Richard Gaster, MD/doktorand i bioingenjör och medicin, som är den första författaren till ett papper som beskriver forskningen som publicerades online denna månad av Naturnanoteknik .

Kraften hos nanosensormatrisen ligger i två framsteg. Först, användningen av magnetiska nanotaggar kopplade till proteinet som studeras - till exempel en medicinering - ökar kraftigt övervakningens känslighet.

Andra, en analytisk modell som forskarna utvecklat gör det möjligt för dem att exakt förutsäga det slutliga resultatet av en interaktion baserat på bara några minuters övervakningsdata. Nuvarande tekniker övervakar vanligtvis inte mer än fyra samtidiga interaktioner och processen kan ta timmar.

"Jag tror att deras teknik har potential att revolutionera hur vi gör bioanalyser, "sade P.J. Utz, docent i medicin (immunologi och reumatologi) vid Stanford University Medical Center, som inte var inblandad i forskningen.

Medlemmar i Wangs forskargrupp utvecklade den magnetiska nanosensorteknologin för flera år sedan och demonstrerade dess känslighet i experiment där de visade att den kunde upptäcka en cancerassocierad proteinbiomarkör i musblod vid en tusendel av den koncentration som kommersiellt tillgängliga tekniker kunde upptäcka. Den forskningen beskrevs i en tidning från 2009 i Naturmedicin .

Forskarna skräddarsyr nanotaggarna för att fästa det specifika protein som studeras. När ett nanotag-utrustat protein binder till ett annat protein som är fäst vid en nanosensor, den magnetiska nanotaggen förändrar det omgivande magnetfältet runt nanosensorn på ett litet men distinkt sätt som detekteras av detektorn.

"Låt oss säga att vi tittar på ett läkemedel mot bröstcancer, "Gaster sa." Målet med läkemedlet är att binda till målproteinet på bröstcancercellerna så starkt som möjligt. Men vi vill också veta:Hur starkt binder det läkemedlet avvikande till andra proteiner i kroppen? "

För att avgöra det, forskarna skulle sätta bröstcancerproteiner på nanosensoruppsättningen, tillsammans med proteiner från levern, lungor, njurar och annan vävnad som de är oroliga för. Sedan skulle de lägga till medicinen med dess magnetiska nanotaggar fästa och se vilka proteiner läkemedlet binder till - och hur starkt.

"Vi kan se hur starkt läkemedlet binder till bröstcancerceller och sedan också hur starkt det binder till andra celler i människokroppen som din lever, njurar och hjärna, "Gaster sa." Så vi kan börja förutse de negativa effekterna av detta läkemedel utan att någonsin lägga det i en mänsklig patient. "

Det är den ökade känsligheten för detektering som följer med de magnetiska nanotaggarna som gör att Gaster och Wang inte bara kan avgöra när en bindning bildas, men också dess styrka.

"Den hastighet med vilken ett protein binder och frigörs, berättar hur starkt bandet är, "Sa Gaster. Det kan vara en viktig faktor med många mediciner.

"Jag är förvånad över den känslighet de uppnådde, "Utz sa." De upptäcker i storleksordningen mellan 10 och 1, 000 molekyler och det är för mig ganska överraskande. "

Nanosensorn är baserad på samma typ av sensor som används på datorns hårddiskar, Sa Wang.

"Eftersom vårt chip är helt baserat på befintlig mikroelektronik -teknik och procedurer, antalet sensorer per område är mycket skalbar med mycket låg kostnad, " han sa.

Även om chipsen som används i det arbete som beskrivs i Naturnanoteknik papper hade lite mer än 1, 000 sensorer per kvadratcentimeter, Wang sa att det inte borde vara några problem att sätta tiotusentals sensorer på samma fotavtryck.

"Det kan skalas till över 100, 000 sensorer per centimeter, utan att ens pressa teknikgränserna inom mikroelektronikindustrin, " han sa.

Wang sa att han ser en ljus framtid för alltmer kraftfulla nanosensor -arrays, eftersom teknikinfrastrukturen för att göra sådana nanosensor -matriser finns på plats idag.

"Nästa steg är att gifta denna teknik med ett specifikt läkemedel som är under utveckling, "Sa Wang." Det kommer att vara den verkligt dödande tillämpningen av denna teknik. "