Ett team av forskare under ledning av Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) har skapat små droppar som, när de aktiveras av laserljus, kan upptäcka virala proteinbiomarkörer som indikerar förekomsten av vissa sjukdomar.
Dessa mikrodroppar, ungefär en tredjedel av diametern på ett hårstrå, skulle potentiellt kunna resa i blodomloppet för att nå alla delar av människokroppen och upptäcka partiklar som utgjutits av celler, så kallade exosomer, som fungerar som sjukdomsbiomarkörer.
Nanyang biträdande professor Chen Yu-Cheng från NTU:s School of Electrical and Electronic Engineering, som ledde forskargruppen tillsammans med forskarkollegan Dr. Fang Guocheng, sa att mikrodropparna också kan erbjuda ett mer exakt, effektivt alternativ för fotodynamisk terapi, som använder ljusaktiverad terapi. läkemedelsbärare för att döda onormala celler.
Forskargruppens arbete rapporterades i tidskriften Nano Letters i mars 2023.
Forskargruppen använde en flytande kristall för att skapa mikrodroppar som sedan belades med olika antikroppar som reagerar på olika proteiner som sprids av virus och förvandlar dem till sjukdomsdetektorer.
Mikrodroppen fungerar som en brännpunkt för laserljus. När lasern kommer in i droppen förstärks dess energi och ljus när lasern reflekterar och studsar inuti droppen upprepade gånger innan den lämnar droppen. Detta skapar en starkare energisignal som sänds ut från droppen, vilket leder till mer exakta, exakta och lätt detekterbara signaler.
När en mikrodroppe möter ett protein som reagerar med en av dess fästa antikroppar – vilket tyder på närvaron av sjukdom eller infektion – ändras våglängden på ljuset som reflekteras ut från mikrodroppen.
Genom att mäta våglängdsförskjutningen när den lämnar mikrodroppen, har forskare använt tekniken i laboratorieförsök för att framgångsrikt upptäcka neurologiska störningar, genetiska sjukdomar och cancerceller.
Asst Prof Chen sa:"Att använda lasrar gör att vi kan förstärka subtila biologiska förändringar, eftersom de fungerar bra även i spridda eller djupa vävnadsmiljöer. Lasrar erbjuder stark koherens och intensitet och ett högt signal-brusförhållande, vilket alla leder till mer exakt detektering."
Forskarna sa att mikrodropparna har potentiella tillämpningar vid läkemedelsscreening. "Vi föreställer oss att den föreslagna studien kan fungera som ett användbart verktyg för både grundläggande biologisk vetenskap och tillämpningar som läkemedelsscreening och tillämpningar av organ eller vävnad på chip", säger professor Chen.
För närvarande görs tester för sjuka celler med konventionellt fluorescerande ljus. Att använda en laser ger flera fördelar, sa forskarna. Den största är större precision när det gäller att upptäcka sjukdomar.
"Eftersom våglängden på en laserreflekterad stråle upptar ett smalare band än den fluorescens som används i konventionella tester, är resultaten tydligare och mer exakta, med mindre brus och osäkerhet", säger Dr. Fang, en presidentpostdoktor vid NTU:s School of Electrical and Electronic Engineering och tidningens medförfattare.
"På grund av deras höga känslighet för förändringar i den omgivande miljön har laserpartiklar använts som molekylära sensorer i olika tillämpningar", säger professor Chen.
Dessa anpassningsbara mikrodroppar erbjuder också flexibilitet i rörelse och detektering. Enligt tidigare publicerad forskning kan de kontrolleras manuellt med hjälp av magnetiska partiklar eller röra sig autonomt med hjälp av lipider och ytaktiva ämnen, vilket gör att de kan spridas i en kropp. De är också biologiskt nedbrytbara och kan säkert tas upp av kroppen.
"Förmågan att manipulera mikrolasrar – lasrar som är några mikrometer stora – i biologiska vätskor öppnar nya möjligheter i biofotoniska tillämpningar", säger professor Chen.
Alternativ användning inom fotodynamisk terapi
Mikrodropparna skulle kunna appliceras i fotodynamisk terapi, där patienter får ett ljusaktiverat läkemedel. Dessa läkemedel, som kallas fotosensibilisatorer, är utformade för att endast absorberas av sjuka eller onormala celler och träder endast i kraft när de aktiveras av en ljuskälla.
Teamets mikrodroppar är tillräckligt små för att navigera i blodomloppet och binder även till exosomer. De skulle kunna användas för att leverera dessa fotosensibilisatorer till områden där sjuka celler avger exosomer.
Konventionell fotodynamisk terapi använder ett externt fluorescerande ljus för att aktivera läkemedelsbärare i blodomloppet, som lyser ljus över en stor yta av kroppen. Läkare kan aktivera läkemedlen mer exakt och lokalt genom att använda en laser som ljuskälla istället, vilket leder till bättre målinriktad effektivitet.
Forskargruppen arbetar för närvarande med att utveckla ett integrerat biochip som potentiellt kan kommersialiseras för användning i läkemedelsscreening och bioanalyser på ett enda chip.
Mer information: Ziyihui Wang et al, Autonoma mikrolasrar för profilering av extracellulära vesiklar från cancersfäroider, nanobokstäver (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.2c04123
Ziyihui Wang et al, Motorliknande mikrolasrar som fungerar i biologiska vätskor, Lab on a Chip (2022). DOI:10.1039/D2LC00513A
Journalinformation: Lab on a Chip , Nanobrev
Tillhandahålls av Nanyang Technological University
