Förmågan att upptäcka sjukdomar i ett tidigt skede eller till och med förutsäga deras uppkomst skulle vara till stor nytta för både läkare och patienter. En forskargrupp ledd av Dr Larysa Baraban vid Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) utvecklar intelligenta, miniatyriserade biosensorenheter och system som använder nanomaterial för att bestämma biomolekyler och celler såväl som biokemiska reaktioner eller processer som sjukdomsmarkörer.
Teamets aktuella publikation i Biosensors and Bioelectronics beskriver utvecklingen av ett portabelt, handflatstort testsystem som samtidigt kan utföra upp till 32 analyser av ett prov.
Olika möjligheter och mekanismer finns för att upptäcka patogener i kroppsvätskor. Ett alternativ som Baraban undersöker vid HZDR-Institute of Radiopharmaceutical Cancer Research är detektering med fälteffekttransistorer (FET) från elektronikens område.
Funktionsprincipen är enkel:en definierad elektrisk ström flyter från A till B. Denna ström kan regleras av den elektriska potentialen på ytan av en grind, som fungerar som en exakt, kontinuerlig ventil.
Sjukdomsrelevanta biomolekyler binder till grindens yta och förändrar därmed den elektriska potentialen och därmed även strömmen. Om det inte finns någon signifikant förändring i strömmen har inga biomolekyler bundit sig till sensorytan. Å andra sidan innebär en förändring av strömmen att sjukdomsrelaterade molekyler kan detekteras på sensorytan.
Dessa biosensorer kan designas för att specifikt detektera olika biomolekyler. Olika patogener orsakar olika elektriska potentialer och därför olika strömmar. Cancerceller orsakar andra strömmar än till exempel ett influensavirus.
Den stora nackdelen med traditionella elektroniska FET-baserade biosensorer är att testytorna inte är återanvändbara, och hela transistorn måste kasseras efter varje provtagning. Eftersom transistorer innehåller kostsamma halvledarmaterial är denna process både dyr och skadlig för miljön.
Av den anledningen gick Baraban och hennes institution för nano-mikrosystem för livsvetenskaper ett steg längre och försökte mäta potentialförändringarna inte direkt på transistorns yta, utan på en separat elektrod som är ansluten till transistorns gate. "Detta ger oss möjlighet att använda transistorn flera gånger. Vi separerar grinden och hänvisar till den som en "förlängd gate" - det vill säga en förlängning av testsystemet."
Men det är inte allt. Laget tänkte ännu längre fram och antog ytterligare en utmaning. "Vi vill naturligtvis att det här systemet gör flera analyser samtidigt." Forskarna lyckades ta fram utökade grindar med 32 testplattor. Baraban förklarar, "Detta betyder att ett prov kan testas samtidigt på var och en av dynorna för en annan patogen."
Forskarna visade först funktionsprincipen med interleukin-6 (IL-6), en molekyl som ansvarar för kommunikationen mellan immunceller. "Oavsett om det är en enkel förkylning eller cancer, förändras koncentrationen av IL-6. Olika sjukdomar såväl som olika stadier av en sjukdom ger olika kliniska bilder. Det är därför IL-6 lämpar sig mycket väl som markör."
För att göra metoden ännu mer känslig använde Barabans team även nanostrukturer. Nanopartiklar koncentrerar eller lokaliserar laddningen för att förstärka spänningssignalen.
"Testernas känslighet är betydligt högre än när vi arbetar utan nanopartiklar." Eftersom färdiga nanopartikelkit för forskning nu finns tillgängliga på marknaden är denna metod enkel att använda. HZDR-forskarna arbetar för närvarande med guldnanopartiklar. I framtiden skulle de också vilja studera andra nanopartiklar.
Som ett resultat av den pågående forskningen har ett funktionellt, behändigt testsystem skapats, bestående av en transistor och trettiotvå testplattor, med vilka olika patogener kan upptäckas på mycket kort tid.
I framtiden skulle det beskrivna testsystemet till exempel kunna användas för att övervaka immunterapiernas framsteg hos cancerpatienter. En annan möjlighet skulle vara att förutsäga svårighetsgraden och förloppet av en virussjukdom som influensa eller covid-19 redan i början.
I jämförelse med befintlig teknik är det nya systemet mer kostnadseffektivt och snabbare. Av den anledningen hoppas Baraban och hennes team nu på intresse från den kommersiella sektorn.
Mer information: Željko Janićijević et al., Metoder guldstandard i klinik millifluidics multiplexed extended gate fälteffekt transistor biosensor med guld nanoantenner som signalförstärkare, Biosensors and Bioelectronics (2023). DOI:10.1016/j.bios.2023.115701
Journalinformation: Biosensorer och bioelektronik
Tillhandahålls av Helmholtz Association of German Research Centers
