Fysiker och ingenjörer vid Case Western Reserve University har utvecklat en optisk sensor, baserat på nanostrukturerade metamaterial, det är 1 miljon gånger känsligare än den nuvarande bästa tillgängliga – en som kan identifiera en enda lätt molekyl i en mycket utspädd lösning.

Deras mål:att ge onkologer ett sätt att upptäcka en enda molekyl av ett enzym som produceras av cirkulerande cancerceller. Sådan upptäckt skulle kunna göra det möjligt för läkare att diagnostisera patienter med vissa cancerformer långt tidigare än vad som är möjligt idag, övervaka behandling och motstånd med mera.

"Prognosen för många cancerformer beror på cancerns stadium vid diagnosen", säger Giuseppe "Pino" Strangi, professor i fysik vid Case Western Reserve och ledare för forskningen.

"Väldigt tidigt, de flesta cirkulerande tumörceller uttrycker proteiner med mycket låg molekylvikt, mindre än 500 Dalton, Strangi förklarade. "Dessa proteiner är vanligtvis för små och i för låg koncentration för att upptäcka med nuvarande testmetoder, ger falskt negativa resultat.

"Med den här plattformen, vi har upptäckt proteiner på 244 Dalton, vilket borde göra det möjligt för läkare att upptäcka cancer tidigare – vi vet inte hur mycket tidigare än, " sade han. "Denna biosensing plattform kan hjälpa till att låsa upp nästa era av initial cancerdetektering."

Forskarna tror att avkänningstekniken också kommer att vara användbar för att diagnostisera och övervaka andra sjukdomar.

Deras forskning publiceras online i tidskriften Naturmaterial . Det var ett fantastiskt lagarbete, sa Strangi. Han arbetade med postdoktorala forskarna Kandammathee Valiyaveedu Sreekanth och Efe Ilker, Doktoranderna Yunus Alapan och Mohamed ElKabbash, biträdande professor i fysik Michael Hinczewski, Biträdande professor i rymd- och maskinteknik Umut Gurkan (co-PI) och Antonio De Luca, som var gästforskare i Strangis labb under denna studie och nu är docent i fysik vid University of Calabria i Italien.

Vetenskapen

Nanosensorn, som passar i handflatan, fungerar som en biologisk såll, isolera en liten proteinmolekyl som väger mindre än 800 kvadrilliondelar av ett nanogram från en extremt utspädd lösning.

För att göra enheten så känslig, Strangis team stod inför två långvariga barriärer:Ljusvågor kan inte upptäcka föremål som är mindre än deras egna fysiska dimensioner, som sträcker sig ner till ungefär en halv mikron. Och molekyler i utspädda lösningar flyter i Brownsk rörelse och kommer sannolikt inte att landa på sensorns yta.

Genom att utnyttja nanoteknologiska verktyg och genom att koppla en mikrofluidkanal med ett konstruerat material som kallas metamaterial, forskaren övervann gränserna.

Den mikrofluidiska kanalen begränsar molekylernas förmåga att flyta runt och driver dem till avkänningsområdet på ytan av metamaterialet.

Metamaterialet är tillverkat av totalt 16 nanostrukturerade lager av reflekterande och ledande guld och transparent aluminiumoxid, ett dielektrikum, varje 10s atomer tjock. Ljus som riktas mot och genom skikten koncentreras till en mycket liten volym som är mycket mindre än ljusets våglängd.

Det översta guldlagret är perforerat med hål, skapa ett galler som sprider ljus som lyste på ytan i två dimensioner.

Det inkommande ljuset, som är flera hundra nanometer i våglängd, tycks vara instängd och koncentrerad på några få nanometer vid gränsytan mellan guldet och det dielektriska lagret.

När ljuset träffar avkänningsområdet, det exciterar fria elektroner som får dem att oscillera och generera en ytterst begränsad utbredningsvåg, kallas ytplasmonpolariton. Denna fortplantande ytvåg kommer i sin tur att excitera en bulkvåg som utbreder sig över avkänningsplattformen. Närvaron av vågorna orsakar djupa skarpa dippar i spektrumet av reflekterande ljus.

Kombinationen och samspelet mellan ytplasmonvågor och bulkplasmonvågor är det som gör sensorn så känslig. sa Strangi. Genom att excitera dessa vågor genom de åtta dubbelskikten i metamaterialet, de skapar anmärkningsvärt skarpa resonanslägen.

Extremt skarpa och känsliga resonanser kan användas för att upptäcka mindre föremål.

"Det är extremt känsligt, ", sa Strangi. "När en liten molekyl landar på ytan, det resulterar i en stor lokal ändring, får ljuset att skifta."

Potentialen

Beroende på molekylens storlek, det reflekterande ljuset skiftar olika mycket. Forskarna hoppas kunna lära sig att identifiera specifika molekyler, börjar med biomarkörer för olika cancerformer, genom sina ljusskiftningar.

För att lägga till specificitet till sensorn, laget lade till ett lager av fällmolekyler, som är molekyler som binder specifikt till molekylerna de jagar.

I tester, forskarna använde trapmolekyler för att fånga två olika biomolekyler:bovint serumalbumin, med en molekylvikt på 66, 430 Dalton, och biotin, med en molekylvikt av 244 Dalton. Var och en producerade ett signaturljusskifte.

Andra forskare har rapporterat att de använder plasmonbaserade biosensorer för att detektera biotin i lösningar i koncentrationer som sträcker sig från mer än 100 mikromol per liter till 10 mikromol per liter. Den här enheten visade sig 1 miljon gånger känsligare, hitta och identifiera biotin i en koncentration av 10 pikomol per liter.

Testning och konsekvenser

I Cleveland, Strangi och Nima Sharifi, MD, medledare för Genitourinary Cancer Program för Case Comprehensive Cancer Center, har börjat testa sensorn med proteiner relaterade till prostatacancer.

"För vissa cancerformer, såsom kolorektal och pankreascancer, tidig upptäckt är viktigt, sa Sharifi, som också är Kendrick Family Chair för prostatacancerforskning vid Cleveland Clinic. "Högkänslighetsdetektering av cancerspecifika proteiner i blod bör möjliggöra upptäckt av tumörer när de befinner sig i ett tidigare sjukdomsstadium.

"Denna nya avkänningsteknik kan hjälpa oss att inte bara upptäcka cancer, men vilken delmängd av cancer, vad som driver dess tillväxt och spridning och vad den är känslig för, " sa han. "Sensorn, till exempel, kan hjälpa oss att fastställa markörer för aggressiv prostatacancer, som kräver behandling, eller tröga former som inte gör det."

Strangis labb arbetar med andra onkologer över hela världen för att testa enheten och börja flytta sensorn mot klinisk användning.

"Vi anser att detta bara är början på vår forskning, " han sa.