Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskare har utvecklat en ny biologisk sensor som kan hjälpa läkare att bättre diagnostisera cancer och epilepsi.

Biologiska sensorer övervakar små molekyler, joner och protoner och är avgörande som medicinsk diagnostik. Även de enklaste signalerna, såsom intracellulär pH-nivå, kan ge viktig information till det medicinska samfundet.

Till exempel, försurning av tumörer på grund av förhöjt glukosupptag och mjölksyrafrisättning är en biomarkör för cancerceller. Likaså, försurning av extracellulär vätska är en av nyckelprocesserna under epileptiska anfall.

Men konstgjorda biosensorer har begränsningar som biokompatibilitet och nedsmutsning (ackumulering av oönskade material som hindrar eller stör molekylens funktion). Biologiska system är skickliga på att skydda och separera vitala komponenter i biologiska maskiner med semipermeabla membran som ofta innehåller definierade porer och portar för att begränsa transmembrantransport endast till specifika arter.

Att lära sig av biologi, LLNL-teamet, ledd av Aleksandr Noy, skapat en pH-sensor genom att integrera transistorsensorer i kisel med en antifouling lipid-dubbelskiktsbeläggning som innehåller protongenomsläppliga kolnanorörporinkanaler (CNTP) och demonstrerade robust pH-detektion med hjälp av dessa sensorer i en mängd olika komplexa biologiska vätskor.

"Vår enhet är en mångsidig plattform för realtid, etikettfri, mycket känslig upptäckt av sjukdomsbiomarkörer, DNA-felmatchningar och virus, sa Xi Chen, en UC Merced doktorand, en UC-National Lab In-residence graduate fellow vid Lawrence Livermore och en första författare i en omslagsartikel i tidskriften Nanobokstäver . Han sa att biosensorn så småningom till och med kan vara implanterbar.

För att skapa pH-sensorn, lipidmembranet måste innehålla en robust kanal som är mycket permeabel (och, helst, mycket specifik) för protoner. Noys team har tidigare visat att smala 0,8 nanometer CNTP (cirka 10 nanometer av kolnanorörsegment som spontant sätts in i ett lipidmembran och bildar transmembrankanaler) har extremt hög protonpermeabilitet som är en storleksordning högre än protonpermeabiliteten för bulkvatten. Extrem vatteninneslutning i 0,8 nm-diameter nanorörporer är ansvarig för att skapa förhållanden som gynnar snabb protontransport. Liten porstorlek och hög protonpermeabilitet säkerställer också att CNTP:er effektivt kan blockera de flesta av föroreningskomponenterna i biologiska blandningar och förhindra dem från att nå sensorytan.

"För vart och ett av dessa experiment, vi har karakteriserat vår sensors förmåga att reagera på variationer i lösningens pH-värden före och efter kontinuerlig exponering för de olika föroreningsblandningarna, " Sa Noy. "När lipiddubbelskiktet inkorporerade CNTP-kanaler, pH-svaret bevarades och visade mycket få tecken på nedbrytning."

I framtiden, teamet kunde konstruera CNTP för att överföra specifika joner och små molekyler samtidigt som de blockerar andra biomolekyler. Detta kan förvandla enheten till en mångsidig avkänningsteknik av plattformstyp som kan användas i applikationer som sträcker sig från sjukdomsdiagnostik, genetisk screening och läkemedelsupptäckt.