De första biosensorchipsen baserade på grafen och dess derivat presenterades av MIPT vid Open Innovations 2015 Forum and Technology Show (28 okt. - 1 nov., 2015, Moskva, Ryssland).
Moscow Institute of Physics and Technology (MIPT) patenterar biosensorchips baserade på grafen, grafenoxid- och kolnanorör som kommer att förbättra analysen av biokemiska reaktioner och påskynda utvecklingen av nya läkemedel.
US Patent Office har nyligen publicerat patentansökan (nr US 2015/0301039), som lämnades in av MIPT i maj i år och har titeln "Biologisk sensor och en metod för produktion av biologiska sensorer." I Ryssland, denna utveckling är redan skyddad av patent nr 2527699 med ett prioritetsdatum 20 februari, 2013. Sensorns nyckelfunktion är användningen av ett länklager för immobilisering av biomolekyler som består av en tunn film av grafen eller grafenoxid.
Grafen är den första riktigt tvådimensionella kristallen, som erhölls experimentellt och undersöktes med avseende på dess unika kemiska och fysikaliska egenskaper. 2010, två MIPT-alumner, Andre Geim och Konstantin Novoselov, tilldelades Nobelpriset i fysik "för banbrytande experiment angående det tvådimensionella materialet grafen". Det har nu skett en avsevärd ökning av antalet forskningsstudier som syftar till att hitta kommersiella tillämpningar för grafen och andra tvådimensionella material. En av de mest lovande tillämpningarna för grafen tros vara biomedicinsk teknologi, vilket är vad forskare från Laboratory of Nanooptics and Plasmonics vid MIPT:s Center of Excellence for Nanoscale Optoelectronics för närvarande undersöker.
Etikettfria biosensorer är relativt nya i biokemiska och farmaceutiska laboratorier, och har gjort arbetet mycket lättare. Sensorerna gör det möjligt för forskare att upptäcka låga koncentrationer av biologiskt signifikanta molekylära ämnen (RNA, DNA, proteiner, inklusive antikroppar och antigener, virus och bakterier) och studera deras kemiska egenskaper. Till skillnad från andra biokemiska metoder, fluorescerande eller radioaktiva märkningar behövs inte för dessa biosensorer, vilket gör det lättare att genomföra ett experiment, och minskar också sannolikheten för felaktiga data på grund av effekterna som etiketter har på biokemiska reaktioner. De huvudsakliga tillämpningarna av denna teknik är inom farmaceutisk och vetenskaplig forskning, medicinsk diagnostik, kontroll av livsmedelskvalitet och upptäckt av gifter. Etikettfria biosensorer har redan visat sig vara en metod för att erhålla de mest tillförlitliga data om läkemedels farmakokinetik och farmakodynamik i prekliniska studier. Fördelarna med denna metod förklaras av det faktum att kinetiken för de biokemiska reaktionerna av liganden (aktiv substans) med olika mål kan observeras i realtid, vilket gör det möjligt för forskare att få mer exakta data om reaktionshastigheterna, vilket tidigare inte var möjligt. De erhållna uppgifterna ger information om ett läkemedels effekt och även dess toxicitet, om målen är "friska" celler eller deras delar, vilken drog, helst, inte bör påverka.
Schematisk tvärsnittsvy av grafenbiosensorchipset från US patentansökan nr 2015/0301039 (okt 2015).
De flesta etikettfria biosensorer är baserade på användning av ytplasmonresonansspektroskopi (SPR). "Resonans"-parametrarna beror på ytegenskaperna i en sådan utsträckning att även spårmängder av "främmande" ämnen kan påverka dem avsevärt. Biosensorer kan detektera en biljondels gram av ett detekterbart ämne i en yta på en kvadratmillimeter.
Kommersiella enheter av denna typ säljs i ett format som liknar affärsmodellen "rakblad", som inkluderar ett instrument och mycket dyra förbrukningsvaror. Instrumentet är själva biosensorn, som består av optik, mikrofluidik och elektronik. Förbrukningsmaterial för biosensorer är sensorchips som består av ett glassubstrat, tunn guldfilm och ett länkskikt för adsorption av biomolekyler. Sensorchips använder för närvarande två typer av länklagerteknologi som utvecklades för mer än 20 år sedan och är baserade antingen på ett lager av självmonterade tiolmolekyler, eller ett lager av hydrogel (vanligtvis karboximetyldextran). Vinsten som företag har fått från försäljning av biosensorer och förbrukningsvaror är jämnt fördelad i förhållandet 50:50.
Författarna till patentet, Aleksey Arsenin och Yury Stebunov, föreslår ett alternativ till befintliga sensorchips för biosensorer baserat på ytplasmonresonans. Under vissa förutsättningar, Användningen av grafen eller grafenoxid som ett länklager mellan metallfilm och ett biologiskt lager bestående av molekylmål kan avsevärt förbättra känsligheten för biodetektion. Grafensensorchipsen testades på Biacore T200 (General Electric Company) och BiOptix 104sa biosensorer.
Användningen av grafenoxidsensorchips för att analysera DNA-hybridiseringsreaktioner beskrivs i detalj i en ny artikel av författarna i American Chemical Societys tidskrift ACS tillämpade material och gränssnitt . Förutom en högre nivå av känslighet än liknande kommersiella produkter, de föreslagna sensorchipsen har den nödvändiga egenskapen biospecificitet och kan användas flera gånger, vilket kraftigt minskar kostnaderna för att genomföra biokemiska studier med hjälp av chipsen.
Användningen av grafen ökar känsligheten för analyser som utförs med SPR-spektroskopi mer än tio gånger, som kommer att revolutionera området för farmaceutisk biodetektion. Användningen av biosensorer är för närvarande begränsad till att analysera biologiska produkter baserade på stora molekyler, medan mer än hälften av de läkemedel som produceras varje år har en låg molekylvikt (högst några hundra dalton). Immobilisering av läkemedelsmål på ytan av ett grafenchip kommer att göra det möjligt för forskare att testa interaktionen mellan mål och små molekyler. Ett exempel på detta kan vara utvecklingen av läkemedel som verkar på receptorer kopplade till G-proteiner (GPCR), som för närvarande är målen för 40 % av läkemedlen på marknaden. Farmaceutiska studier av läkemedel som verkar på GPCR utförs för närvarande inte med SPR på grund av metodens otillräckliga känslighet. Det förväntas därför att användningen av grafenbiosensorer i läkemedelsstudier kommer att bidra till att påskynda utvecklingen av läkemedel och övervinna farliga sjukdomar som inte kan behandlas med de läkemedel som för närvarande finns på läkemedelsmarknaden.
Författarna fortsätter att arbeta för att förbättra sin utveckling och förväntar sig att för vissa reaktioner, biosensorchips baserade på de nya kolmaterialen kommer att ge en känslighetsnivå som är dussintals eller hundratals gånger högre än liknande kommersiella produkter som för närvarande finns på marknaden. De överväger också möjligheten att kommersialisera grafenchips. Bara under 2014 cirka 10 miljarder US-dollar spenderades på prekliniska studier. Enligt uppskattningar, den årliga marknaden för biosensorchips är värd totalt cirka 300 miljoner US-dollar. De utmärkta egenskaperna hos grafenbiosensorchips kommer att göra det möjligt för dem att konkurrera starkt med befintliga typer av chips – upp till en tredjedel av hela marknaden.
