Toekomstige biosensor voor continue monitoring met behulp van moleculaire look-alike
Onderzoekers ontwerpen een nieuwe sensor voor het continu meten van kleine moleculen voor persoonlijke gezondheidsmonitoring.
Biosensoren meten de concentratie van moleculen in biologische monsters voor biomedische, milieu- en industriële toepassingen, en idealiter zouden ze voortdurend realtime gegevens leveren. De continue monitoring van kleine moleculen bij lage concentraties is echter problematisch. Onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven hebben een innovatieve sensortoepassing ontwikkeld op basis van moleculaire look-alikes. Dit zou een hele belangrijke ontwikkeling kunnen zijn voor toekomstige biosensoren voor het monitoren van gezondheid en ziekte.
Het onderzoeksgebied van biosensoren heeft een rijke en inventieve geschiedenis. Leland C. Clark Jr., die begin jaren zestig een sensor ontwierp om zuurstof in het bloed te meten, wordt door velen gezien als de "vader van de biosensoren".
Maar, zoals bij pionierswerkzaamheden, begon het niet zoals hij had gehoopt. Zijn eerste sensorontwerpen mislukten omdat de bloedcomponenten de sensor-elektrode beïnvloedden.
De oplossing van Clark was om de elektrode en het bloed te scheiden door een cellofaanwikkelaar van een pakje sigaretten, wat de oplossing bleek te zijn die nodig was om op betrouwbare wijze zuurstof in het bloed te meten. Een uitstekend voorbeeld van creatief en innovatief zijn in het laboratorium!
Fast forward naar 2020, en onderzoekers van de afdelingen Biomedische Technologie en Toegepaste Natuurkunde van de TU/e laten een vergelijkbare inventiviteit zien als het gaat om het detecteren van interessante moleculen met een lage massa.
In een artikel dat gepubliceerd werd in ACS Sensors, tonen Junhong Yan, Menno Prins, en collega's een nieuwe aanpak op basis van biosensing by particle mobility (BPM). Hierdoor is het mogelijk om voortdurend de concentratie van interessante moleculen met een lage massa te meten in biologische monsters.
"Onze aanpak vormt een platform voor toekomstige biosensoren om continu de markers te meten die verband houden met persoonlijke gezondheidsaandoeningen zoals nier- of leverfalen," zegt Yan.
Biosensoren 101
Bestaande biosensoren geven doorgaans een enkel meetresultaat van een enkel biologisch monster. Het monster kan bloed, zweet, urine of speeksel zijn, en het resultaat kan het niveau van een eiwit, een hormoon, een geneesmiddel of een virus in het monster zijn.
Het zou echter beter zijn als sensoren een ononderbroken stroom van gegevens produceren, in plaats van slechts één enkel gegevenspunt, want dan zou een individu kunnen volgen hoe een medische aandoening zich in de loop van de tijd ontwikkelt.
De enige continue biosensor die momenteel in de handel verkrijgbaar is, is de Continuous Glucose Monitor (CGM) die continu glucose in interstitieel huidvocht meet, wat zeer nuttig is voor mensen met diabetes. Helaas kunnen andere moleculen dan glucose nog niet continu worden gemeten. Dit biedt een belangrijke kans voor sensorinnovatie!
Elke biosensor bestaat uit drie hoofdonderdelen - een moleculaire component die een bioreceptor bevat die zich kan binden aan het interessante molecuul, een transducerend component dat de moleculaire herkenning omzet in een detecteerbaar signaal, en een detectiesysteem dat het signaal registreert en de output presenteert als een getal, grafiek, geluid of lichtaanduiding, die gemakkelijk door de gebruiker kan worden geïnterpreteerd.
"In dit werk hebben we ons gericht op het eerste deel - het bedenken van een moleculair component om continu interessante moleculen met een lage moleculaire massa en lage concentratie te meten", zegt Prins.
Moleculaire look-alikes
De sensor, ontworpen door Yan, Prins en het team, maakt gebruik van moleculaire look-alikes of nep-versies van de interessante moleculen.
Hoe helpen deze look-alike moleculen bij de detectie van de echte moleculen? Menno Prins legt uit: "Het oppervlak van de sensor is gecoat met antilichamen die zich kunnen binden aan de betreffende moleculen. Als er geen moleculen in de testvloeistof zitten, zijn de look-alike moleculen vrij om zich te binden aan de antilichamen. Wanneer er echter wel interessante moleculen in de vloeistof aanwezig zijn, kunnen deze zich binden aan de antilichamen. Hierdoor komen de look-alikes los van hun binding aan de antilichamen.
De look-alike moleculen bewegen niet vrij rond de sensor, zoals de interessante moleculen dat in een testvloeistof doen. Deze look-alike moleculen zitten vast aan een microdeeltje, dat met behulp van DNA aan het oppervlak van de sensor is vastgemaakt, zodat de overgang tussen gebonden en ongebonden toestanden kan worden gedetecteerd.
Binding is de sleutel
De werking van het detectieplatform is vrij eenvoudig en briljant, moet gezegd worden. Alle moleculair bindende gebeurtenissen zijn ontworpen om omkeerbaar te zijn. Zo ook de binding tussen de antilichamen en de look-alikes, en de binding tussen de antilichamen en de interessante moleculen in de oplossing.
In een vloeistof vinden steeds weer bindende en niet-bindende gebeurtenissen plaats tussen de look-alike moleculen of de betrokken moleculen. Deze gebeurtenissen kunnen eenvoudig worden gemeten met behulp van optische microscopie door de toestand van het microdeeltje vast te leggen.
Wanneer er in een oplossing een hoge concentratie van interessante moleculen is, dan worden de meeste antilichamen op het sensoroppervlak geblokkeerd. Dit verkleint de mogelijkheid voor de microdeeltjes om over te gaan naar een gebonden toestand. Aan de andere kant, als de concentratie laag is, dan treden er veel overgangen op tussen gebonden en ongebonden toestanden door de omkeerbare bindingen van de moleculaire look-alikes.
"Detectie van bindende en niet-bindende gebeurtenissen van een groot aantal deeltjes, veroorzaakt door de specifieke moleculaire interacties, is de sleutel tot de technologie. Hierdoor kunnen we kleine veranderingen in de moleculaire concentratie in de vloeistof meten", zegt Yan.
Succesvolle resultaten en de volgende stappen
Om hun nieuwe aanpak te testen, ontwierpen de auteurs sensoren om de concentraties te monitoren van korte enkelstrengs DNA-fragmenten en van creatinine. De concentraties werden urenlang gemeten, met een tijdsresolutie van enkele minuten.
Creatinine is een metaboliet molecuul met een kleine massa van slechts 113 Dalton dat een marker is voor de nierfunctie. De marker kan worden gemeten in het medisch interessante bereik tussen 10 μM en 10 mM. Enkelstrengs DNA kan worden gemeten tussen 10 nM en 1 μM.
"Deze resultaten zijn zeer veelbelovend en tonen aan dat kleine moleculen continu kunnen worden gemonitord in een breed scala aan concentraties. Ons volgende doel is om de technologie te demonstreren voor een grote verscheidenheid aan moleculen en biologische vloeistoffen, om toekomstige toepassingen in de gezondheidszorg en in industriële proces- en milieumonitoring mogelijk te maken", aldus Prins.
Het zou goed kunnen dat deze innovatieve sensorische aanpak de problemen kan oplossen op gebied van de detectie van biomarkers met een lage moleculaire massa, voor onze toekomstige behoeften aan biosensoren.
Hoewel de aanpak iets verfijnder is dan het gebruik van cellofaan op een elektrode, is het zeer waarschijnlijk dat wijlen Leland C. Clark Jr. onder de indruk zou zijn geweest.
Volledige artikel: J. Yan et al., “Continuous small-molecule monitoring with a digital single-particle switch”, ACS sensors, (2020).