(Phys.org) – Tidig diagnos är avgörande vid behandling av borrelia. Dock, nästan en fjärdedel av borreliapatienterna är initialt feldiagnostiserade eftersom för närvarande tillgängliga serologiska tester har dålig känslighet och specificitet under de tidiga infektionsstadierna. Feldiagnostiserade patienter kan gå obehandlade och därmed utvecklas till sent skede av borrelia, där de står inför längre och mer invasiva behandlingar, samt ihållande symtom.

Befintliga tester utvärderar förekomsten av antikroppar mot bakteriella proteiner, som tar veckor att bilda efter den första infektionen och kvarstår efter att infektionen är borta. Nu, en nanoteknikinspirerad teknik utvecklad av forskare vid University of Pennsylvania kan leda till diagnostik som kan upptäcka själva organismen.

Studien leddes av professor A. T. Charlie Johnson vid institutionen för fysik och astronomi vid Penns School of Arts and Sciences tillsammans med doktoranden Mitchell Lerner, forskaren Jennifer Dailey och postdoktor Brett R. Goldsmith, hela fysik. De samarbetade med Dustin Brisson, en biträdande professor i biologi som försett teamet med expertis om bakterien.

Deras forskning publicerades i tidskriften Biosensorer och bioelektronik .

"När du initialt är infekterad med borreliabakterien, du utvecklar inte antikroppar på många dagar till några veckor, ", sa Johnson. "Många människor träffar sin läkare innan antikroppar utvecklas, leder till negativa serologiska testresultat. Och efter en första infektion, du kommer fortfarande att ha dessa antikroppar, så att använda denna serologiska diagnostik kommer inte att göra det klart om du fortfarande är smittad eller inte efter att du har behandlats med antibiotika."

Forskargruppens idé var att vända processen runt, använda laboratorieproducerade antikroppar för att upptäcka närvaron av proteiner från organismen. Detta är en förlängning av tidigare arbete som Johnsons labb har gjort för att koppla ihop andra biologiska strukturer, såsom luktreceptorer och DNA, till kolnanorörsbaserade enheter.

Kolnanorör, upprullade galler av kolatomer, är mycket ledande och känsliga för elektrisk laddning, vilket gör dem till lovande komponenter i elektroniska enheter i nanoskala. Genom att fästa olika biologiska strukturer på utsidan av nanorören, de kan fungera som mycket specifika biosensorer. När den fästa strukturen binder till en molekyl, att molekylens laddning kan påverka nanorörets elektriska ledning, som kan vara en del av en elektrisk krets som en tråd. En sådan anordning kan därför ge en elektronisk avläsning av närvaron, eller till och med koncentration, av en viss molekyl.

För att få ut den elektriska signalen från dessa nanorör, teamet gjorde dem först till transistorenheter.

"Vi odlar först dessa nanorör på vad som motsvarar ett stort chip med en ångavsättningsmetod, gör sedan elektriska anslutningar i huvudsak slumpmässigt, "Sade Johnson. "Vi bryter sedan upp chipet och testar alla individuella nanorörstransistorer för att se vilka som fungerar bäst."

I deras senaste experiment, Johnsons team fäste antikroppar som naturligt utvecklas i de flesta djur som är infekterade med bakterien borrelia till dessa nanorörstransistorer. Dessa antikroppar binder naturligt till ett antigen, I detta fall, ett protein i borreliabakterien, som en del av kroppens immunsvar.

"Vi har en kemisk process som låter oss koppla alla proteiner till kolnanorör. Nanorör är mycket stabila, så vi har en väldigt reaktiv förening som binder till nanoröret och som även har en karboxylsyragrupp i andra änden. För biokemister, att få någon form av protein att binda till en karboxylsyragrupp är bara en barnlek vid det här laget, och vi har arbetat med dem för att lära oss hur man utför denna kemi på sidoväggen av nanorör. "

Efter att ha använt atomkraftsmikroskopi för att visa att antikroppar verkligen hade bundit sig till utsidan av deras nanorörstransistorer, forskarna testade dem elektriskt för att få en baslinjeavläsning. De satte sedan nanorören i lösningar som innehöll olika koncentrationer av målproteinet från borrelia.

"När vi tvättar bort lösningen och testar nanorörstransistorerna igen, förändringen i vad vi mäter säger oss att hur mycket av antigenet som har bundit, ", sa Johnson. "Och vi ser relationen vi förväntar oss att se, genom att ju mer antigen det fanns i lösningen, desto större förändring i signalen."

Den minsta koncentration som nanorörsenheterna kunde upptäcka var fyra nanogram protein per milliliter lösning.

"Denna känslighet är mer än tillräcklig för att upptäcka borreliabakterien i blodet hos nyligen infekterade patienter och kan vara tillräcklig för att upptäcka bakterien i vätskor hos patienter som har fått otillräcklig behandling, sa Brisson.

"Vi vill verkligen att proteinet vi vill upptäcka ska binda så nära nanoröret som möjligt, eftersom det är det som ökar styrkan på den elektriska signalen, ", sa Johnson. "Utvecklar en mindre, Den minimala versionen av antikroppen — det vi kallar ett variabelt fragment av en kedja — skulle vara nästa steg.

"Baserat på vårt tidigare arbete med enkelkedjiga variabla fragment av andra antikroppar, detta skulle förmodligen göra en sådan apparat ungefär tusen gånger känsligare."

Forskarna föreslog att med tanke på flexibiliteten i deras teknik för att fästa olika biologiska strukturer, eventuella diagnostiska verktyg kan innehålla flera antikroppar, var och en upptäcker ett annat protein från borreliabakterien. En sådan inställning skulle förbättra noggrannheten och minska risken för falskt positiva diagnoser.

"Om vi ​​skulle göra den här typen av test på en persons blod nu, dock, vi skulle säga att personen har sjukdomen, ", sa Johnson. "Den första tanken är att om du upptäcker något protein som kommer från borreliaorganismen i ditt blod, du är smittad och bör få behandling omedelbart."