Längtar efter att hitta ett botemedel mot cancer, HIV och andra obotliga sjukdomar, forskare har redan provat hundratals droger, var och en kräver preklinisk och klinisk testning med levande försökspersoner. Hur många fler kemiska medel ska man prova? I en sådan takt, kommer vi att hitta botemedlet under vår livstid?

Ett av de enklaste sätten att påskynda läkemedelsutvecklingsprocessen är att helt enkelt utföra den utanför den levande kroppen (t.ex. genom att se ämnena reagera med de minsta proverna av levande vävnad och därmed snabbt förutsäga den totala effekten det kommer att ha inuti kroppen). Detta tillvägagångssätt kommer så småningom att ge ett mer effektivt prekliniskt urval av läkemedelskandidater för långsiktiga och dyra kliniska prövningar. Detta kan föra vetenskapen närmare sedan länge eftersökta botemedel.

Forskare från Laboratory of Nanooptics and Plasmonics, Moscow Institute of Physics and Technology - MIPT (Ryssland) har tagit fram en ny typ av grafenoxid (GO) biosensor som potentiellt kan påskynda processen för läkemedelsutveckling. De enastående egenskaperna hos denna kolallotrop förbättrar avsevärt biosensingkänsligheten, som i framtiden kan möjliggöra utvecklingen av nya läkemedel och vacciner mot många farliga sjukdomar inklusive HIV, hepatit och cancer. Forskningen, ledd av Yury Stebunov, en vetenskapsman vid MIPT, publicerades i ACS tillämpade material och gränssnitt . Tidningen har titeln "Mycket känsliga och selektiva sensorchips med grafenoxid-länkande lager." Valentyn Volkov är medförfattare, gästprofessor från Syddansk Universitet. Andra medförfattare är Olga Aftenieva och Aleksey Arsenin.

Nya GO-baserade biosensorchips utnyttjar fenomenet ytplasmonresonans (SPR). Ytplasmoner är elektromagnetiska vågor som sprider sig längs ett metall-dielektriskt gränssnitt (t.ex. guld/luft) med amplituder som avtar exponentiellt i det angränsande mediet. Adsorption av molekyler från en lösning på en avkänningsyta ändrar brytningsindexet för mediet nära denna yta och, därför, ändrar villkoren för SPR. Dessa sensorer kan detektera biomolekyladsorption även vid några biljondelar av ett gram per kvadrat millimeter. På grund av dessa egenskaper, SPR biosensing är en enastående plattform för att öka tekniska framsteg inom medicin och bioteknik. Ändå, den mest utmärkande egenskapen hos sådana sensorer är förmågan att "visualisera" molekylära interaktioner i realtid.

"SPR biosensing är ett värdefullt verktyg för att undersöka ett brett spektrum av biokemiska reaktioner, uppskatta deras kemiska kinetik och andra egenskaper. Allt detta kan effektivt användas för upptäckt och validering av nya läkemedel. Utbredd introduktion av denna metod i prekliniska prövningar kommer att helt förändra läkemedelsindustrin. Med SPR -sensorer, vi behöver bara uppskatta interaktionen mellan läkemedlet och målen på avkänningsytan, sa Stebunov.

De flesta kommersiella SPR -sensorchips består av en tunn glasplatta täckt av guldskikt med tiol- eller polymerskikt. Biokänsligheten beror på egenskaperna hos spånytan. Högre bindningskapacitet för biomolekyler ökar signalnivåerna och analysnoggrannheten. Under de senaste åren har nya kolmaterial som grafen har väckt stor uppmärksamhet på grund av sin stora yta, tillverkning till låg kostnad, och interaktion med ett brett spektrum av biomolekyler.

Stebunov och teamet från Laboratory of Nanooptics and Plasmonics vid MIPT skapade och patenterade en ny typ av SPR-sensorchips med GO-länkskiktet. Materialet har mer attraktiva optiska och kemiska egenskaper än orörd grafen. GO "flingorna" deponerades på 35 nm guldlagret, följt av ett lager streptavidinprotein för selektiv immobilisering av biomolekyler.

Forskare genomförde en serie experiment som jämförde GO-chipet, ett kommersiellt tillgängligt chip med ett karboximetylerat dextranskikt (CMD), och ett chip täckt av monolager grafen. Experiments showed that the proposed GO chip has three times higher sensitivity than the CMD chip and 3.7 times than the chip with pristine graphene. These results mean that the new chip needs fewer molecules for detecting a compound and can be used for analysis of chemical reactions with small drug molecules. An important advantage of the new GO-based sensor chips is their simplicity and low-cost fabrication compared to sensor chips that are already commercially available.

"Our invention will help in drug development against viral and cancer diseases. We are expecting that the pharmaceutical industry will express a strong demand for our technology, " Stebunov said.

"The sensor can also find applications in food quality control and toxin screening, and the sensor can significantly shorten the time for a clinical diagnostic, " researcher added. However, clinical trials with the chip are still needed for medical applications.