Dag en nacht meten met een lab op zak

Een mini-laboratorium in een doosje. We hangen er geregeld boven om te kijken of het tweede streepje wel of niet opkleurt: de coronazelftest. Volgens Rafiq Lubken, promovendus bij de vakgroep Molecular Biosensing, staat een nieuwe generatie biosensoren klaar om medische zorg af te stellen op de individuele patiënt. Want binnenkort wordt het mogelijk om met een sensor niet slechts één keer een test te doen, maar om continu te meten, zelfs bij heel lage concentraties. Vrijdag 14 januari verdedigt Lubken zijn onderzoek aan de faculteit BMT.

Aan de hand van de coronazelftest - wie heeft er nog geen stokje in de neus gedraaid, vloeistof op de teststrip gedruppeld en ongeduldig gewacht tot het resultaat afgelezen kan worden - legt Rafiq Lubken uit wat een biosensor precies is. “Als je besmet bent met het coronavirus, zitten er kleine stukjes viruseiwit in je keel- en/of neusslijm. Met de zelftest meet je of die viruseiwitten op het teststokje zitten. In de sensor vindt een moleculaire herkenning plaats - het virus krijgt als het ware een vlaggetje - wat een zichtbaar streepje geeft.”

De kern van een biosensor is dus om de moleculaire herkenning om te zetten naar een meetbaar signaal. Dat kan op verschillende manieren, zoals via licht, elektriciteit, magnetisme of beweging.  En hoewel er nu wereldwijd met biosensoren getest wordt op de aanwezigheid van het coronavirus, is grootschalig gebruik van biosensoren niet nieuw. Want diabetespatiënten gebruiken al lange tijd een biosensor om hun bloedsuiker te meten, vertelt Lubken. De meest gebruikte methode is met een vingerprik, waarbij een druppeltje bloed op de teststrip komt. Sinds een aantal jaren is het echter ook mogelijk om met een onderhuidse sensor continu de suikerspiegel te monitoren. En door het onderzoek van Lubken en collega’s van de vakgroep Molecular Biosensing moet continue biosensing voor veel meer moleculen dan alleen glucose mogelijk gaan worden.

Ontstekingsreactie

“Er is een enorme vraag vanuit de medische wetenschap. Commercieel verkrijgbare continue biosensoren, zoals glucose- en lactaatsensoren, meten stoffen die in een hoge concentratie voorkomen. Maar stoffen die artsen interessant vinden om te volgen zijn vaak juist in een heel lage concentratie aanwezig. Neem ontstekingsstoffen, die een goed beeld geven van de situatie van een patiënt met een acute ontstekingsreactie. Je wilt deze graag volgen in de loop van de tijd om het verloop van de ziekte te kunnen inschatten of effecten van een bepaalde behandeling te kunnen zien. We willen daarom een biosensor maken met een zo hoog mogelijke gevoeligheid, zodat we ook moleculen kunnen meten die in een lage concentratie in het menselijk lichaam aanwezig zijn.”

Om zo’n gevoelige continue biosensor te maken, gebruikte Lubken technieken op single molecule niveau. Zo kon hij individuele moleculen van elkaar scheiden en op een precieze manier hun concentratie bepalen. Als vlaggetje gebruikte hij een microscopisch klein deeltje. In vrije staat zag hij onder de microscoop een grote beweging, maar wanneer er een individueel molecuul aan plakte werd de beweging veel kleiner, vertelt Lubken enthousiast. “Heel bijzonder hoe deze verandering van bewegingsvrijheid wordt veroorzaakt door slechts één moleculaire binding.”

Markers

De technologie om met biosensoren stoffen met een lage concentratie te kunnen meten ligt er nu, in een vervolgstap moet samen met artsen en diagnostiek-onderzoekers uitgezocht worden welke moleculen, de zogenaamde markers, belangrijk zijn om te meten. “Het terugbrengen van een ziekte of lichaamsproces naar enkele markers is lastig, en kan ook niet altijd. Maar het continu monitoren van moleculaire concentraties in een patiënt biedt veel nieuwe mogelijkheden. Iedere patiënt is uniek en heeft een unieke behandeling nodig. Continue monitoring met biosensoren zal hier zeker aan bijdragen. En we zijn ook aan het kijken hoe we de inzet van biosensoren kunnen uitbreiden. Bijvoorbeeld door het gelijktijdig meten van meerdere moleculen, multiplexing. Dat geeft een arts nog meer inzicht in de toestand van de patiënt.”

Een nieuwe medische sensor ontwikkelen en op de markt zetten is een langdurig traject, merkt Lubken in zijn nieuwe rol als product and business developer bij TU/e spin-off Helia Biomonitoring. “Een ingewikkelde wereld qua regelgeving en eisen. We zijn daarom nu eerst bezig om deze biosensoren in de voedingsmiddelenindustrie te introduceren. Productieprocessen kunnen gemonitord worden, bepaalde extractieprocessen geoptimaliseerd, ook hier zijn de mogelijkheden van biosensoren veelbelovend. Tegelijkertijd kunnen we zo de sensortechnologie verder ontwikkelen en de stap naar medische toepassingen verkleinen. Want we zijn er van overtuigd dat deze kleine tool voor artsen en patiënten in de toekomst grote waarde gaat hebben.”