Ett laboratorietest som används för att upptäcka sjukdomar och utföra biologisk forskning kan göras mer än 3 miljoner gånger känsligare, enligt forskare som kombinerat biologiska standardverktyg med ett genombrott inom nanoteknik.

Den ökade prestandan kan avsevärt förbättra tidig upptäckt av cancer, Alzheimers sjukdom och andra störningar genom att tillåta läkare att upptäcka mycket lägre koncentrationer av kontrollanta markörer än vad som tidigare var praktiskt.

Genombrottet involverar ett vanligt biologiskt test som kallas en immunanalys, som efterliknar immunsystemets verkan för att upptäcka närvaron av biomarkörer – kemikalierna som är förknippade med sjukdomar. När biomarkörer finns i prover, som de som tagits från människor, immunoassaytestet ger ett fluorescerande sken (ljus) som kan mätas i ett laboratorium. Ju större glöd, desto mer av biomarkören finns. Dock, om mängden biomarkör är för liten, det fluorescerande ljuset är för svagt för att upptäckas, sätta gränsen för detektion. Ett viktigt mål inom immunanalysforskningen är att förbättra detektionsgränsen.

Princeton-forskarna tacklade denna begränsning genom att använda nanoteknik för att kraftigt förstärka den svaga fluorescensen från ett prov. Genom att göra glas- och guldstrukturer så små kunde de bara ses med ett kraftfullt elektronmikroskop, forskarna kunde drastiskt öka fluorescenssignalen jämfört med konventionella immunanalyser, vilket leder till en 3-miljonfaldig förbättring av detektionsgränsen. Det är, den förbättrade immunanalysen skulle kräva 3 miljoner gånger färre biomarkörer för att vara närvarande jämfört med en konventionell immunanalys. (I tekniska termer, forskarna mätte en förbättring av detektionsgränsen från 0,9 nanomolar till 300 attomolar.)

"Detta framsteg öppnar många nya och spännande möjligheter för immunanalyser och andra detektorer, såväl som vid tidig upptäckt och behandling av sjukdomar, sade Stephen Chou, Joseph C. Elgin professor i teknik, som ledde forskargruppen. "Vidare, den nya analysen är mycket enkel att använda, eftersom för den som utför testet, det blir ingen skillnad från den gamla – de gör proceduren på exakt samma sätt."

Forskarna publicerade sina resultat i två nya tidskriftsartiklar. Ett, publicerad 10 maj i Nanotechnology, beskriver det fluorescensförstärkande materialets fysik och ingenjörskonst. Den andra, publicerad 20 april i Analytical Chemistry, visar effekten i immunanalyser. Förutom Chou, författarna inkluderar postdoktorala forskare Weihua Zhang, Liangcheng Zhou och Jonathan Hu och doktorander Fei Ding, Wei Ding, Wen-Di Li och Yuxuan Wang.

Arbetet finansierades av Defense Advanced Research Project Agency och National Science Foundation.

Nyckeln till genombrottet ligger i ett nytt konstgjort nanomaterial som heter D2PA, som har varit under utveckling i Chous labb i flera år. D2PA är ett tunt lager av guld nanostrukturer omgivna glaspelare bara 60 nanometer i diameter. (En nanometer är en miljarddels meter; det betyder ungefär 1, 000 av pelarna som läggs sida vid sida skulle vara lika breda som ett människohår.) Pelarna är åtskilda 200 nanometer från varandra och täckta med en skiva av guld på varje pelare. Sidorna på varje pelare är prickade med ännu mindre guldprickar på cirka 10 till 15 nanometer i diameter. I tidigare arbeten, Chou har visat att denna unika struktur ökar insamlingen och överföringen av ljus på ovanliga sätt - i synnerhet, en 1 miljard-faldig ökning av en effekt som kallas Raman-spridning på ytan. Det aktuella arbetet visar nu en gigantisk signalförbättring med fluorescens.

I en typisk immunanalys, ett prov som blod, saliv eller urin tas från en patient och läggs till små glasflaskor som innehåller antikroppar som är utformade för att "fånga" eller binda till biomarkörer av intresse i provet. En annan uppsättning antikroppar som har märkts med en fluorescerande molekyl tillsätts sedan till blandningen. Om biomarkörerna inte finns i flaskorna, de fluorescerande detektionsantikropparna fäster inte vid någonting och tvättas bort. Den nya teknologin som utvecklats vid Princeton gör att fluorescensen kan ses när väldigt få antikroppar hittar sina spår.

Förutom diagnostiska användningar, immunanalyser används ofta i läkemedelsupptäckt och annan biologisk forskning. Mer allmänt, fluorescens spelar en betydande roll inom andra områden inom kemi och teknik, från ljusavgivande skärmar till solenergiskörd, och D2PA-materialet kan hitta användningsområden inom dessa områden, sa Chou.

Som nästa steg i hans forskning, Chou sa att han genomför tester för att jämföra känsligheten hos den D2PA-förstärkta immunoanalysen med en konventionell immunanalys för att upptäcka bröst- och prostatacancer. Dessutom samarbetar han med forskare vid Memorial Sloan-Kettering Cancer Center i New York för att utveckla tester för att upptäcka proteiner associerade med Alzheimers sjukdom i ett mycket tidigt skede.

"Du kan ha mycket tidig upptäckt med vårt tillvägagångssätt, " han sa.