Een moleculair verkeerslicht voor besmettelijke ziekten

"Er is een toenemende vraag naar medische tests in het licht van de huidige COVID-19 pandemie die snelle en nauwkeurige resultaten opleveren, goedkoop zijn, en idealiter door iedereen en overal gedaan kunnen worden", verduidelijkt Maarten Merkx van het instituut voor Complexe Moleculaire Systemen (ICMS) aan de TU/e en onderzoeksleider van de nieuwe studie.

"Natuurlijk zijn zelftests op grote schaal beschikbaar, maar feit blijft dat deze nog altijd minder gevoelig en nauwkeurig zijn dan laboratoriumtests. Maar je moet dan wel één of meer dagen wachten op de uitslag van een laboratoriumtest, en dat kan te lang zijn”, voegt Merkx toe.

Een ander probleem met deze zogenaamde sneltests is dat ze niet nauwkeurig genoeg zijn. "De output van een corona-zelftest is een simpel ja of nee, positief of negatief", zegt Merkx, die ook gevestigd is bij de faculteit Biomedische Technologie van de TU/e. "Voor sommige toepassingen zou het beter zijn als we de concentratie van eiwitten of antilichamen in een monster zouden kunnen kwantificeren."

Glow-in-the-dark

Met dit alles in het achterhoofd ontwikkelden Merkx en het onderzoeksteam (met Yan Ni, Bas Rosier en Eva van Aalen als hoofdauteurs van het paper) een nieuwe testbenadering met de nauwkeurigheid en gevoeligheid van de huidige laboratoriummethoden en de snelheid en lage kosten van bestaande point-of-use-tests.

De sleutel tot het detecteren en aangeven van de aanwezigheid van biomarkers of moleculen van belang is bioluminescentie, het proces dat organismen zoals vuurvliegjes gebruiken om licht te produceren. "Onze nieuwe sensor is gebaseerd op bioluminescentie, die we in ons eerdere onderzoek uitgebreid hebben gebruikt. Als een bepaald eiwit of antilichaam in het monster aanwezig is, gaan speciale eiwitten, luciferase-enzymen genaamd, licht uitzenden", merkt Merkx op. "Met andere woorden, we zoeken naar een 'glow-in-the-dark'-respons."

Het moleculaire verkeerslicht

Een cruciaal onderdeel van de nieuwe sensor is dat hij altijd licht uitzendt via bioluminescentie. Hoe weten de onderzoekers dan of er een biomarker is gedetecteerd? Wel, ze kijken naar een kleurverandering in het uitgezonden licht, een soort moleculair verkeerslicht.

"Wanneer het apparaat geen interessante biomarkers bevat, zendt één type luciferase enzym groen licht uit. Het zendt altijd groen licht uit, en het wordt niet beïnvloed wanneer een monster met biomarkers wordt toegevoegd", merkt Merkx op. "Maar het is een tweede luciferase enzym dat de sleutel tot detectie in handen heeft."

De onderzoekers splitsten het tweede type luciferase enzym in twee delen. Elk deel op zich doet niets, en het enzym wordt pas actief als de twee delen worden samengevoegd. Elk deel van het luciferase is chemisch verbonden met een paar antilichamen die verschillende delen van een biomarker herkennen. Wanneer een biomarker aanwezig is in een testmonster, binden de antilichamen zich aan de biomarker, en in het proces brengt dit de twee delen van het luciferase samen, wat leidt tot de emissie van blauw licht.

Ratiometrische detectie

"Om de concentratie van de biomarker te kwantificeren, meten we de verhouding tussen het blauwe en het groene licht. Hoe meer blauw licht zichtbaar is, hoe groter de concentratie biomarkers in het monster. Het is zelfs mogelijk om deze verhouding te registreren met een camera op een smartphone, op voorwaarde dat het monster in een zwarte plastic container wordt geplaatst die alle omgevingslicht blokkeert", zegt Merkx.

Dit staat bekend als ratiometrische detectie, wat tot uiting komt in de naam van de testaanpak RAPPID - ratiometric plug-and-plug immunodiagnostics.

De onderzoekers testten de nieuwe detectieaanpak op verschillende biomarkers, waaronder een om bacteriële en virale infecties op te sporen (C-reactief proteïne), met behulp van 40 patiëntenmonsters in samenwerking met het Rijnstate ziekenhuis in Arnhem.

Brede toepassingen

Het RAPPID-testplatform is beslist snel, en met een geschikte monsterhouder kan het worden gebruikt in combinatie met een smartphone, wat betekent dat het potentieel heeft om door iedereen en overal te worden gebruikt - precies wat Merkx en het team beogen. Er moet echter nog wel wat werk worden verricht voordat zijn nieuwe testplatform beschikbaar komt voor het grote publiek.

"We denken dat dit testplatform kan worden gebruikt voor een breed scala van toepassingen, zoals snelle screening en tests, voor therapeutische antilichaam-geneesmiddel monitoring in verband met aandoeningen zoals reumatoïde artritis en inflammatoire darmziekten, en voor de snelle detectie van infectieziekten die geassocieerd zouden kunnen worden met toekomstige epidemieën of pandemieën", voegt Merkx toe.

Financiering

Het onderzoeksteam ontving voor dit werk steun van het TU/e COVID19 Universiteitsfonds, de European Research Council (ERC) en de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO).

INFORMATIE OVER HET ARTIKEL

"A plug-and-play platform of ratiometric bioluminescent sensors for homogeneous immunoassays", Yan Ni, Bas J. H. M. Rosier, Eva A. van Aalen et al., Nature Communications, (2021).