Wissenschaftler haben einen hochpräzisen Blutassay in einen einfachen Teststreifen gegeben

Körber-Preisträger Karsten Danzmann im Gespräch mit Ranga Yogeshwar (Juni 2019).

Anonim

Forscher des Instituts für Allgemeine Physik der Russischen Akademie der Wissenschaften (GPI RAS) und des Moskauer Instituts für Physik und Technologie (MIPT) haben ein neues Biosensor-Testsystem entwickelt, das auf magnetischen Nanopartikeln basiert. Es wurde entwickelt, um hochgenaue Messungen der Konzentration von Proteinmolekülen (z. B. Markern, die den Beginn oder die Entwicklung einer Krankheit anzeigen) in verschiedenen Proben, einschließlich opaker Lösungen oder stark gefärbter Flüssigkeiten, zu liefern.

Die Neuentwicklung ähnelt (im Prinzip) einem Schwangerschaftstest. Die Analyse wird mit kleinen Teststreifen aus porösem Material mit zwei Testlinien durchgeführt. Ein Tropfen der Probenflüssigkeit wird auf ein Ende des Streifens aufgebracht und nach einer kurzen Zeit wird das Ergebnis als Aktivierung einer oder beider Linien angezeigt. Diese Teststreifen können vor dem Gebrauch lange gelagert werden. Der Test kann schnell durchgeführt werden und muss nicht von speziell geschultem Personal durchgeführt werden; Tests können einfach neben einem Patienten oder sogar im Feld durchgeführt werden.

Auf molekularer Ebene "verbinden" sich die magnetischen Nanopartikel mit Antikörpern gegen das erforderliche Protein und werden dann auf einer porösen Platte in der Nähe des beabsichtigten Kontaktpunkts mit der Testlösung platziert. Die Flüssigkeit, die sich aufgrund der Kapillarwirkung auf der Platte ausbreitet, fängt die magnetischen Partikel ein. Es trifft dann auf zwei Linien - die Testlinie und die Kontrolllinie. Die Testlinie enthält Antikörper, die das fragliche Protein und auch die magnetischen Marker, die sich an Moleküle des Proteins anlagern, aufgrund der Tatsache, dass die Nanopartikel ebenfalls mit den Antikörpern "verbunden" sind, aufnehmen. Die Kontrolllinie erfasst nur die Antikörper mit magnetischen Markern und wird in jedem Fall aktiviert, wenn der Teststreifen verwendbar ist. Die Kontrolllinie dient als Indikator dafür, ob der Test geeignet ist, die darin enthaltenen Proteinantikörper durch unsachgemäße Lagerung nicht zerstört wurden und die Testflüssigkeit korrekt appliziert wurde.

Nachdem die Probe den Teststreifen durchdrungen hat und die Antikörper miteinander interagiert haben, kann das Ergebnis abgelesen werden. Dies ist, soweit die Ähnlichkeit zu einem Schwangerschaftstest geht. In einem "klassischen" Schwangerschaftstest kann das Ergebnis entweder "ja" oder "nein" sein. Mit diesem Test können die Wissenschaftler jedoch nicht nur mit hoher Empfindlichkeit ein Protein nachweisen, sondern auch die Konzentration des Proteins genau bestimmen. Die Genauigkeit der Konzentrationsbestimmung wird sogar die Genauigkeit von Methoden überschreiten, die nur von geschultem Personal unter Laborbedingungen durchgeführt werden.

Alexey Orlov, der korrespondierende Autor der Studie und ein Forschungsstipendiat der GPI RAS (der auch einen Bachelor-Abschluss am MIPT im Jahr 2010 und einen postgradualen Abschluss im Jahr 2013 abgeschlossen hat): "Normalerweise können Tests, die nicht nur unter Laborbedingungen durchgeführt werden Auch im Feld werden fluoreszierende oder farbige Marker verwendet, und die Ergebnisse werden visuell, per Sicht oder mit einer Videokamera bestimmt.In unserem Fall verwenden wir magnetische Partikel, die einen wesentlichen Vorteil haben: Sie können sogar verwendet werden, um Analysen durchzuführen wenn der Teststreifen in eine völlig undurchsichtige Flüssigkeit getaucht wird, um beispielsweise die Substanzen im Vollblut zu bestimmen. Die genaue numerische Messung wird vollständig elektronisch mit einem tragbaren Gerät durchgeführt. Dies schließt jegliche Zweideutigkeit völlig aus. "

Ein Tropfen der Testflüssigkeit wird auf den Streifen (1) aufgebracht. Die Flüssigkeit, die sich aufgrund von Kapillarwirkung entlang des Streifens ausbreitet, fängt magnetische Partikel ein, die mit Antikörpern an das Testprotein (2) "gekoppelt" sind. Während sie sich entlang des Streifens bewegen, binden sich die Partikel an das erforderliche Protein. Die Flüssigkeit trifft dann auf zwei Leitungen - die Testleitung (3) und die Steuerleitung (4). Die Testlinie enthält Antikörper, die das Protein und auch die daran gebundenen magnetischen Marker einfangen. Die Kontrollleitung ist in jedem Fall aktiviert, wenn der Teststreifen für den Gebrauch geeignet ist
Bild mit freundlicher Genehmigung von MIPT Press Service

Englisch: bio-pro.de/en/region/stern/magazin/…1/index.html Die Wissenschaftler merken an, dass das neue Testsystem neben der hohen Sensitivität der Konzentrationsbestimmung eines Proteins auch Messungen über einen großen Dynamikbereich ermöglicht: Die obere Grenze der Testkonzentration ist mehr als 4000 mal größer als die des Tests untere Grenze.

Der Dynamikbereich ist in der Fotografie ein vertrauter Begriff: In Bezug auf eine Kamera bedeutet dies die Fähigkeit des Bildsensors oder -films, Abstufungen der Helligkeit ohne Auswaschen zu Weiß zu unterscheiden oder ein Bild in einen dunklen Punkt umzuwandeln. In biochemischen Messungen beinhaltet der dynamische Bereich die Fähigkeit, die Konzentration eines Proteins in einer sehr verdünnten Lösung sowie in einer sehr gesättigten Lösung zu messen.

Das neue System wurde getestet, indem 0, 025 Nanogramm pro Milliliter des Prostata-spezifischen Antigens im Blut gemessen wurden (der "gesunde" Bereich ist etwas niedriger als 4 Nanogramm). Prostata-spezifisches Antigen ist einer der am häufigsten überwachten Marker in klinischen Untersuchungen an Männern.

Prostata-spezifisches Antigen, PSA, ist einer der möglichen Marker für Prostatakrebs - und es wird auch in der Forensik verwendet, um Spuren von Sperma zu erkennen. Beide Anwendungen haben bestimmte Einschränkungen und sie sind nicht in der Lage, eine Diagnose zu liefern / die Schuld eines Verdächtigen zu beweisen, aber die neue Biosensor-Plattform wird in der Lage sein, mehr als nur PSA zu analysieren; Dieses bestimmte Protein wurde als Demonstration der Fähigkeiten der Methode gewählt.

Diese Sensitivität der PSA-Bestimmung reicht aus, um zu sagen, ob nach der Entfernung der Prostata ein Wiederauftreten stattgefunden hat, und die erhaltenen Ergebnisse geben Aufschluss über das Potential der neuen Entwicklung. Es kann nicht nur anzeigen, wenn ein bestimmter Indikator außerhalb des normalen Bereichs liegt, sondern es kann auch verwendet werden, um leicht die Dynamik der Konzentration von Proteinmarkern in einer Krankheit zu verfolgen.

Nach Überprüfung der Ergebnisse der neuen Methode gegen den "Goldstandard" zur Bestimmung des PSA - Enzyme-linked Immunosorbent Assay (ELISA) haben die Wissenschaftler bewiesen, dass das neue Testsystem gut funktioniert und gegenüber herkömmlichen Methoden deutliche Vorteile aufweist.

Im neuen Testsystem haben die Forscher mit ihrer eigenen patentierten Methode MPQ (Magnetic Particle Quantification) magnetische Nanopartikel durch ihre nichtlineare Magnetisierung präzise gezählt. Mit dieser Methode können Wissenschaftler mehr als 60 Zeptomole (das Präfix Zepto bedeutet zehn gegen minus einundzwanzigste Energie!) Von Nanopartikeln in einem linearen Bereich von mehr als zehn Millionen Mal aufzeichnen. Diese Parameter wurden nie zuvor auf dieser Ebene aufgezeichnet. Das Verfahren beinhaltet das Anlegen eines magnetischen Wechselfeldes an die Nanopartikel bei zwei Frequenzen und das Überwachen der Induktionsreaktion bei kombinatorischen Frequenzen.

Viele Methoden zur Analyse von Substanzen basieren darauf, dass Testobjekte, ob Partikel oder Moleküle, von einem elektromagnetischen Feld beeinflusst werden. Bei der richtigen Frequenz beginnt eine Probe entweder aktiv Strahlung zu absorbieren oder strahlt als Antwort aus. In diesem Fall verwendeten die Wissenschaftler eine Kombination von zwei Frequenzen des Magnetfeldes und überwachten die Antwort bei der Frequenz, die ihre lineare Kombination ist - dies wird als "kombinatorische" Frequenz bezeichnet.

Maxim Nikitin, Leiter des MIPT-Labors für Nanobiotechnologie und Co-Autor der Studie: "Wir haben bereits in einem Gemeinschaftsprojekt mit US-Forschern der University of Chicago die hohe Sensitivität dieser Methode zum Nachweis magnetischer Partikel nachgewiesen Unsere Sensoren erfassen magnetische radioaktive Nanopartikel basierend auf dem Isotop 59-Fe in den Körpern von Tieren in vivo (siehe M. Nikitin et al., J. Appl. Phys. 2008, 103, 07A304). Insbesondere wurde gefunden, dass Die Schwelle für die Detektion mit dieser elektronischen Methode fällt mit der Meldegrenze der begleitenden Gammastrahlung zusammen, was bedeutet, dass radioaktive Marker durch magnetische Nanopartikel in einer Reihe verschiedener biophysikalischer Studien ersetzt werden können. Empfindlichkeit für die Durchführung von Immunoassays. "

"… die Nachweisgrenze dieser elektronischen Methode stimmt mit der Meldeschwelle begleitender Gammastrahlung überein" bedeutet, dass in einer Reihe von biomedizinischen Untersuchungen magnetische Marker und das spezielle Gerät zu ihrer Erkennung dazu verwendet werden können, das zuvor mit radioaktiven Strahlen möglich zu identifizieren Vorbereitungen. Aus medizinischer Sicht sind magnetische Produkte für diagnostische Studien eindeutig besser, da sie verhindern, dass Patienten einer übermäßigen Strahlung ausgesetzt werden.

Dr. Petr Nikitin, Forschungsleiter und Leiter des Labors der GPI RAS (Absolvent des MIPT 1979): "Die entwickelten magnetischen Methoden und die Rekorder zum Zählen von Nanomarkern auf Teststreifen bieten nicht nur diese Grenzwerte und Messbereiche für Antigenkonzentrationen Darüber hinaus sind sie in der Lage, alle Prozessschritte von der Entwicklung und Optimierung von Immunoassay-Protokollen bis hin zur Durchführung und Interpretation von Ergebnissen effektiv zu steuern, insbesondere durch eine quantitative Überwachung der Umverteilung von Nanomarkern bei allen biochemischen Reaktionen dreidimensionaler poröser Komponenten von Teststreifen, was bisher mit keiner anderen Methode möglich war, und die zur Synthese der Nanopartikel verwendeten Eisensalze vergleichsweise besser zugänglich und billiger sind als die zur Synthese von Goldnanopartikeln verwendeten Reagenzien Schwellentests wie der Schwangerschaftstest. "

Die Kombination aus Zuverlässigkeit, Zugänglichkeit sowie hoher Genauigkeit und Empfindlichkeit der neuen Methode führt dazu, dass ein schneller Übergang vom Laborprototyp zur Massenproduktion möglich ist. Die Entwickler haben noch keinen bestimmten Zeitrahmen angegeben, aber sie betonen, dass ihr Testsystem nicht nur zur Diagnose von Krankheiten, sondern auch für eine Reihe anderer Anwendungen verwendet werden kann. Der Biosensor ist in der Lage, Analysen von Lebensmitteln und Medikamenten durchzuführen; Es kann auch zur Umweltüberwachung eingesetzt werden. Und das wird alles am Standort selbst möglich sein, ohne komplizierte oder teure Ausrüstung.