Mycket kan upptäckas i blod eller urin:virussjukdomar, metaboliska störningar eller autoimmuna sjukdomar kan diagnostiseras med laboratorietester, till exempel. Men sådana undersökningar tar ofta några timmar och är ganska komplexa, vilket är anledningen till att läkare överlämnar proverna till specialistlaboratorier.

Forskare vid ETH Zürich och företaget Roche har tillsammans utvecklat en helt ny analysmetod baserad på ljusdiffraktion på molekyler på ett litet chip. Tekniken har potential att revolutionera diagnostiken:i framtiden läkare kan enkelt och snabbt utföra komplexa undersökningar i sin egen praktik.

Direkt synlig med laserljus

Som med andra etablerade diagnostiska procedurer, den nya metoden använder också nyckellås-principen för molekylärt igenkänning:till exempel för att bestämma ett särskilt protein upplöst i blodet ("nyckeln"), den måste docka till en lämplig antikropp ("låset"). I etablerade immunologiska testmetoder, "nyckeln i låset" görs synlig med en andra färgkodad nyckel, men detta steg är inte längre nödvändigt i den nya processen - "nyckeln i låset" kan göras synlig direkt med ett laserljus.

Forskarna använder ett chip med en speciellt belagd yta som består av små prickar med ett specifikt randigt mönster. Molekylerna i fråga binder till ränderna men inte till mellanrummen mellan ränderna. Om ett laserljus nu riktas längs chipets yta, den är böjd (diffrakterad) som ett resultat av molekylernas speciella arrangemang i mönstret och fokuserad på en punkt under chipet. En ljuspunkt blir synlig. När forskarna lägger prover utan molekylerna på chipet, ljuset är inte böjt och ingen ljuspunkt syns.

Molekylärt samspel

"Ljuspunkten är en effekt av samspelet mellan hundratusentals molekyler i deras specifika arrangemang, "säger Christof Fattinger, en forskare vid Roche. "Som med ett hologram, laserljusets vågkaraktär används på ett riktat sätt. "

Janos Vörös, professor i bioelektronik vid ETH Zürich, jämför principen med en orkester:"Molekylerna är musikerna, randmönstret ledaren. Det säkerställer att alla musiker arbetar tillsammans. "Forskarna kallar det randiga mönstret" mologram "(molekylärt hologram) och den nya diagnostiska tekniken" fokalmolografi ".

Fattinger uppfann principen och utvecklade dess teoretiska grunder. Fem år sedan, han tog ett sabbatsår i gruppen som leddes av Vörös; den praktiska implementeringen av molografi har nu kommit fram från det samarbetet mellan Roche -forskarna och ETH Zürich.

Andra molekyler stör inte

En betydande fördel med den nya metoden är att signalen (ljuspunkten) bara uppstår på grund av molekylerna som specifikt binder till mologrammet - andra molekyler som finns i ett prov producerar inte en signal. Metoden är därför väsentligt snabbare än tidigare analysmetoder baserade på nyckellås-principen. I det senare, andra molekyler som finns i ett prov måste tvättas bort, vilket i sin tur bromsar och komplicerar diagnosen. Detta gör den nya metoden idealisk för mätning av proteiner i blod eller andra kroppsvätskor.

"Vi förväntar oss att denna teknik kommer att möjliggöra att fler laboratorietester kan utföras direkt på läkarkontoret i framtiden snarare än i ett specialistlaboratorium. Och inom en avlägsen framtid, patienter kan till och med kunna använda tekniken hemma, säger Vörös.

Stor potential

Flera mologram är arrangerade på ett litet chip. I den nuvarande designen, 40 mologram mäter samma molekyl, men i framtiden kan det vara möjligt att mäta 40 eller fler olika markörer samtidigt på ett chip.

De möjliga tillämpningarna av denna nya teknik är enorma. Den kan användas varhelst samspelet mellan molekyler behöver identifieras och undersökas. Metoden är så snabb att den till och med är lämplig för realtidsmätningar, som är av särskilt intresse för grundläggande biologisk forskning:t.ex. för att undersöka hur snabbt en biokemisk molekyl binder till en annan. Ytterligare tillämpningar kan omfatta kvalitetskontroll för dricksvattenbehandling eller processövervakning inom den biotekniska industrin.

Intensivt fokus på marknadsberedskap

"Det faktum att vi lyckades genomföra idén i praktiken beror till stor del på att vårt projektteam är tvärvetenskapligt, "säger Vörös. Bland deltagarna fanns experter på fotokemi, spånstillverkning och ytbeläggning. Forskarna använde också speciella beläggningspolymerer för mologrammet, som nyligen utvecklades i laboratoriet för ETH-professor Nicholas Spencer (ETH News rapporterade:https://www.ethz.ch/en/news-and-events/eth-news/news/2016/02/swiss-army-knife -molekyl.html). "Utan dessa polymerer och utan samarbetet med Janos Vörös, vi skulle fortfarande vara långt från vårt mål, säger Fattinger.

För att utveckla metoden ytterligare, samarbetet mellan Roche och ETH Zürich kommer att fortsätta. Medan flera forskare och doktorander i Vörös grupp arbetar med dess vetenskapliga aspekter, partnerna planerar också att utforska kommersialiseringsmöjligheter för olika applikationer.