Handhållna elektrokemiska sensorer är en del av den dagliga rutinen för miljontals människor med diabetes runt om i världen som övervakar sina blodsockernivåer med elektriska glukometrar. Även om sådana sensorer har revolutionerat medicinska tester hemma för diabetiker, de har ännu inte använts framgångsrikt för att diagnostisera andra tillstånd. Sensorer som glukometrar upptäcker glukos i blodet baserat på aktiviteten hos ett enzym, och det finns bara ett begränsat antal enzymer som kan användas för att känna av biomarkörer för mänsklig sjukdom. En alternativ detektionsstrategi baserad på bindningshändelser mellan antikroppar och deras molekylära mål har undersökts för att utöka användningen av elektrokemiska sensorer för medicin, men dessa sensorer faller offer för den snabba ansamlingen av "nedsmutsande" ämnen från biologiska vätskor på deras ledande ytor, som inaktiverar dem. Befintliga antifouling-beläggningar är svåra att masstillverka, lider av kvalitets- och konsekvensproblem, och är inte särskilt effektiva.

Nu, en ny diagnostisk plattformsteknologi utvecklad av forskare vid Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering vid Harvard University känd som "eRapid" möjliggör skapandet av lågkostnads-, handhållna elektrokemiska enheter som samtidigt kan detektera ett brett utbud av biomarkörer med hög känslighet och selektivitet i komplexa biologiska vätskor, använder så lite som en enda droppe blod. Tekniken beskrivs i senaste numret av Naturens nanoteknik .

"Så länge det finns en antikropp för en given målmolekyl, eRapid kan upptäcka det, " sa medförfattaren Pawan Jolly, Ph.D., en senior forskare vid Wyss Institute. "Genom att lösa problemet med biofouling med en enkel men robust design, vi kan nu enkelt massproducera biokemiska sensorer för en mängd olika applikationer till låg kostnad."

Utmaningen med att utveckla antifouling-beläggningen var att förhindra ackumulering av ämnen utanför målet på sensorns metallelektroder samtidigt som deras ledningsförmåga bibehålls för att möjliggöra avkänning av målet. Efter att ha experimenterat med en mängd olika recept, forskargruppen utvecklade en enkel, porös, 3D-matris som består av bovint serumalbumin (BSA) tvärbundet med glutaraldehyd och stöds av ett nätverk av ledande nanomaterial, såsom nanotrådar av guld eller nanorör i kol. Den lilla porstorleken på BSA-matrisstorleken utesluter proteiner som finns i blod och plasma, och BSA:s svaga negativa laddning förhindrar stark vidhäftning av positivt laddade biomolekyler på sensorn.

När forskarna testade sina nanomaterialbelagda sensorer i mänskligt blodserum och plasma, de behöll mer än 90 % av sin förmåga att upptäcka signal även efter att ha lagrats i en månad i dessa biovätskor, Sensorer belagda med de bästa tidigare publicerade antifouling-beläggningarna förlorade signifikant signalkänslighet när de inkuberades i en timme. och var helt inaktiverade efter en dag.

För att funktionalisera de belagda sensorerna, forskarna fäste antikroppar till ytan av nanomaterialbeläggningen ovanpå elektroden, och använde en "sandwichanalys" för att omvandla antikroppsbindningshändelsen till en kemisk signal som fälls ut på elektrodytan, därigenom genererar en elektrisk signal. Storleken på den elektriska signalen korrelerar direkt med mängden fällning som produceras, och därmed till antalet målmolekyler bundna till antikropparna, så att koncentrationen av målet kan mätas.

Teamet visade den kommersiella nyttan av detta tillvägagångssätt genom att skapa en multiplexerad sensor med tre separata elektroder, var och en belagd med BSA/guld nanotrådmatrisen och ett lager av antikroppar mot en specifik kliniskt relevant målmolekyl:interleukin 6 (IL6), insulin, eller glukagon. När de inkuberade sensorn med respektive målmolekyler i outspädd mänsklig plasma, de observerade utmärkta elektriska signaler med pikogram-per-ml-känslighet. Omvänt, elektroder belagda med en publicerad "PEG-SAM" antifouling-beläggning misslyckades med att producera distinkta signaler, vilket tyder på att de hade blivit irreversibelt nedsmutsade av molekyler utanför målet i humana plasmaprover. Dessutom, BSA/guld-nanowire-belagda sensorerna kan tvättas och återanvändas flera gånger med minimal signalförlust, möjliggör seriell övervakning av biomarkörer enkelt och till låg kostnad.

Sedan dess, Wyss-teamet har kunnat upptäcka mer än ett dussin olika biomarkörer från 100 Da till 150, 000 Da i storlek med eRapid, och de fortsätter att experimentera med ledande nanomaterial för att optimera elektrodbeläggningen och systemets prestanda, samt minska kostnaderna ytterligare. De undersöker aktivt kommersialiseringsalternativ för eRapid i det handhållna diagnostikområdet, men hoppas också kunna utöka beläggnings- och sensorteknologiplattformen till andra mål och sammanhang, inklusive diagnostik på sjukhus, avkänning av miljögifter, upptäckt av små molekyler, och implanterbar medicinsk utrustning.

Intressant, teamet – ledd av Wyss Institutes grundare Donald Ingber, M.D., Ph.D. - inte ursprungligen gav sig ut med detta mål i åtanke. Detta arbete började eftersom de behövde samtidigt upptäcka flera biomolekyler producerade av olika typer av vävnadsceller som växer i mänskliga Organs-on-Chips för att icke-invasivt bedöma deras funktion och inflammatoriska status över tiden. Den lilla volymen vätskeutflöden från chipsens kanaler krävde mycket känsliga sensorer som också kunde multiplexeras, vilket ledde till skapandet av den nuvarande tekniken.

"eRapid uppstod från att jag strävade efter en innovation som ledde till en annan som har potential att förändra medicinsk diagnostik. Förhoppningsvis, denna enkla teknik kommer att möjliggöra stora framsteg i vår förmåga att utveckla handhållna diagnostiska enheter som kan användas hemma, såväl som på apotek, ambulanser, läkarmottagningar, och akutmottagningar inom en snar framtid, " sa Ingber som också är Judah Folkman professor i vaskulär biologi vid Harvard Medical School och Vascular Biology Program vid Boston Children's Hospital, och professor i bioteknik vid Harvards John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.