Nieuwe sensortechniek maakt super-gevoelig live monitoren van menselijke biomoleculen mogelijk

Het menselijk lichaam is een uiterst complexe moleculaire machine waarvan de details te volgen zijn via bepaalde stoffen; zogeheten biomarkers. Helaas is het nog niet mogelijk om bij patiënten biomarkers live te monitoren doordat deze in minuscule concentraties aanwezig zijn. Onderzoekers van de TU Eindhoven hebben nu een nieuwe techniek ontwikkeld, die wel eens het ei van Columbus kan worden voor het live en super-gevoelig monitoren van biomarkers. Ze berichten erover in Nature Communications.

Voor het lichaam essentiële stoffen zoals eiwitten, hormonen en medicijnen zijn in het bloed aanwezig in pico- of nanomolaire concentraties. Dat zijn concentraties die vergelijkbaar zijn met 1 suikerkorrel die is opgelost in een Olympisch zwembad – extreem laag dus, en moeilijk te meten. In de groep Moleculaire Biosensoren voor Medische Diagnostiek van de TU Eindhoven is onder leiding van professor Menno Prins een sensortechniek ontwikkeld waarmee we super-gevoelig biomarker-veranderingen kunnen meten over de tijd.

De techniek is gebaseerd op het feit dat piepkleine deeltjes in water continu in Brownse beweging zijn, doordat watermoleculen er tegenaan botsen. De onderzoekers bonden de deeltjes via een nanostreng aan een glazen plaatje, waardoor de deeltjes op hun plaats heen en weer slingeren (zie deze uitlegvideo). Ze voorzagen zowel de deeltjes als het plaatje van hechtmoleculen, waaraan de te meten biomarker zich graag tijdelijk hecht. Op het moment dat een biomarker-molecuul zich hecht aan zowel een slingerend deeltje als aan het plaatje, dan zit het deeltje ineens vast waardoor zijn beweeglijkheid sterk afneemt – totdat de biomarker weer loslaat.

De beweeglijkheid van de deeltjes, die aan het doorzichtige glas gekoppeld zijn, konden de onderzoekers eenvoudig met licht waarnemen. Ze hebben hun techniek dan ook de naam BPM gegeven: Biomarker monitoring based on the sensing of Particle Mobility. Elke keer als een slingerend deeltje ineens minder beweegt, en daarna weer meer, is er 1 biomarker-molecuul waargenomen. Het aantal van deze gebeurtenissen per minuut verraadt met hoge gevoeligheid de concentratie van de biomarker in de vloeistof.

Het mooie van de BPM-sensortechniek is dat deze digitale precisie heeft, en dat zowel toenames als afnames van de biomarker-concentratie over de tijd gevolgd kunnen worden. De techniek is nu aangetoond voor het monitoren van eiwit en DNA. De techniek is breed toepasbaar, omdat voor bijna alle biomarkers al bijpassende hechtmoleculen beschikbaar zijn.

Die flexibiliteit, gecombineerd met de gevoeligheid en de verwachte miniaturisering van de technologie, maakt dat Prins en zijn collega-onderzoekers verwachten dat hun techniek een grote toekomst tegemoet gaat. “We voorzien dat hieruit een geheel nieuwe klasse van sensoren voor het monitoren van biomarkers gaat ontstaan”, aldus de hoogleraar. Hij is dan ook bezig een start-up op te richten die praktische sensoren en toepassingen gaat ontwikkelen. Een van de mogelijkheden is om een sensor aan een katheter te koppelen waarmee patiënten in de operatiekamer of in de intensive care nauwkeurig kunnen worden bewaakt. Naast medische toepassingen denkt Prins ook aan het monitoren van biomoleculen in industriële processen en waterzuivering.

Het DOI nummer van de publicatie in Nature Communications is 10.1038/s41467-018-04802-8