Der Graphen-Sensor weist schnell Opioid-Metaboliten im Abwasser nach

Die einzigartigen Eigenschaften der atomdicken Kohlenstoffschicht, bekannt als Graphen, ermöglichten einen neuen Multiplex-Biosensor in Penny-Größe, der als erster Opioid-Nebenprodukte im Abwasser nachweist, so ein Team von Forschern des Boston College, der Boston University und Giner Labs-Bericht in der neuesten Online-Ausgabe des Journals ACS-Nano.

Das neuartige Gerät ist das erste, das Feldeffekttransistoren auf Graphenbasis verwendet, um vier verschiedene synthetische und natürliche Opioide gleichzeitig zu erkennen und sie gleichzeitig vor den aggressiven Elementen des Abwassers zu schützen. Wenn ein bestimmter Opioid-Metabolit an eine molekulare Sonde auf dem Graphen bindet, ändert er die elektrische Ladung auf dem Graphen. Diese Signale lassen sich für jede an das Gerät angeschlossene Sonde einfach elektronisch ablesen.

„Dieser neue Sensor, den wir entwickelt haben, ist in der Lage, Opioide im Abwasser schnell, kostengünstig und einfach zu messen“, sagte Kenneth Burch, Professor für Physik am Boston College, einer der Hauptautoren des Berichts. „Seine Sensibilität und Portabilität würde eine abwasserbasierte Epidemiologie auf lokaler Ebene ermöglichen – so spezifisch wie Block für Block oder Wohnheim für Wohnheim – und gleichzeitig die Privatsphäre gewährleisten.”

Das Gerät reagiert auf eine primäre Herausforderung der Opioid-Epidemie: die Bestimmung der Menge und Art der Drogen, die in einer Gemeinschaft verwendet werden. Datenschutzbedenken und begrenzte Ressourcen sind Hindernisse für das Testen großer Populationen. Ein alternativer Ansatz ist die abwasserbasierte Epidemiologie, ähnlich dem Testen von Abwasser, um das Ausmaß der Coronavirus-Infektion in der Gemeinschaft während der Pandemie zu messen.

„Abwassertests sind eine aufkommende Strategie, die Einschränkungen und Stigmatisierungen im Zusammenhang mit individuellen Drogentests überwinden kann, und sie bieten ein objektiveres Maß für den Drogenkonsum auf Nachbarschaftsebene“, sagte Avni Argun, Vizepräsident von Giner Labs für Advanced Materials, ein Co-Leiter von das Projekt. „Während Abwassertests in großem Umfang in Europa durchgeführt wurden, gibt es in den USA nur wenige Studien. Die schnelle und tragbare Art des Geräts des Teams würde Tests in großem Umfang zu geringen Kosten und mit hoher geografischer Auflösung ermöglichen.“

Die Arbeit von Arguns Team bei Giner Labs in Newton, Massachusetts, wird vom National Institute on Drug Abuse des NIH finanziert, das mit Forschern zusammenarbeitet, um Smart-City-Tools zu entwickeln, die Programme zur Überwachung der öffentlichen Gesundheit in Bezug auf Drogenkonsum und -missbrauch unterstützen würden. Zusätzliche Mittel für das Projekt kamen von der National Science Foundation, den National Institutes of Health und dem Office of Naval Research.

Der Prototyp des Teams könnte ein kostengünstigeres und schnelleres Instrument für Beamte des öffentlichen Gesundheitswesens darstellen, die versuchen, das Ausmaß des Opioidkonsums und die Auswirkungen von gemeinschaftsweiten Behandlungsinterventionen zu bestimmen.

Während Graphen schon früher zum Erfassen biologischer Proben verwendet wurde, ist die Arbeit des Teams die erste Demonstration, dass das Material mit Abwasser verwendet werden könnte, sagte Burch.

Darüber hinaus ist es die erste Demonstration der Verwendung von Feldeffekttransistoren auf Graphenbasis, einem elektronischen Gerät zum Lesen der Ladungsmenge, um mehrere Ziele gleichzeitig zu erkennen, so der Bericht.

Der Durchbruch wurde durch das Design und die Implementierung der Graphene Electronic Multiplexed Sensor (GEMS)-Plattform ermöglicht, sagte Burch. Die Plattform ermöglicht die gleichzeitige Erfassung von vier verschiedenen Zielmolekülen und schützt sie gleichzeitig vor aggressiven Elementen im Abwasser, von denen Proben vom Mass. Alternative Septic System Test Center (MASSTC) auf Cape Cod bereitgestellt wurden.

Das Team stattete die Graphen-Sonden mit „Aptameren“ aus, DNA-Strängen, die nur an ein bestimmtes Molekül binden sollen – in diesem Fall Metaboliten verschiedener Opioide im Abwasser. Wenn das Aptamer an das Medikament bindet, faltet es sich und bringt mehr Ladung auf Graphen. Die Ladungsmenge auf dem Graphen wird überwacht, um das Vorhandensein eines bestimmten Opioid-Metaboliten nachzuweisen, sagte Burch.

„Diese Aptamere wurden an unsere Graphengeräte angehängt und beim Einfangen des Medikaments wurde die induzierte Ladung auf dem Graphen elektronisch abgelesen“, sagte Burch. „Unser Herstellungsprozess und unser Design führten zu einer unteren Nachweisgrenze, die um eine Größenordnung besser war als frühere Berichte mit anderen Methoden.“

Frühere Probenahmewerkzeuge waren mit Einschränkungen konfrontiert, da sie den Versand von Proben und Tests in einer Laborumgebung erforderten. Diese Anforderungen verursachen Kosten, die eine breite Akzeptanz und Verwendung in Gemeinschaften ohne ausreichende Ressourcen einschränken. Durch die Überwindung dieser Grenzen kann das Graphen-Gerät eine nahezu Echtzeit-Überwachung an mehreren Standorten ermöglichen, was auch dazu beitragen könnte, Ressourcen wie Ersthelfer oder spezifische Interventionsstrategien zu verteilen, sagte Burch.

„Dies ist der erste derartige Sensor, der dies mit einem so einfachen und benutzerfreundlichen Aufbau erreichen kann – eine einzelne GEMS-Plattform ist so groß wie ein Cent“, fügte Burch hinzu.

Der Erfolg von GEMS resultierte aus einer langfristigen Zusammenarbeit unter der Leitung von Burch, bei der die DNA-Expertise von Tim van Opijnen, außerordentlicher Professor für Biologie am Boston College, die Graphen-Kultivierung des Chemikers Xi Ling von der Boston University und die Expertise von Argun und Wissenschaftlern in der Entwicklung von Biosensor-Assays zusammengeführt wurden Giner Labs.

Weitere Forscher des Projekts waren der Doktorand am Boston College, Michael Geiwitz, der Forschungswissenschaftler Narendra Kumar, der Student Matthew Catalan und der Postdoktorand Juan C. Ortiz-Marquez; Muhit Rana von Giner Labs, Niazul Islam Khan, Andrew Weber und Badawi Dweik; und BU-Doktorandin Hikari Kitadai.

Burch sagte, das Team sei überrascht gewesen, wie gut das Gerät der rauen Abwasserumgebung standgehalten habe. Er sagte, sein Labor arbeite mit Giner Labs im Rahmen der NIDA Small Business Innovation Research (SBIR)-Finanzierung zusammen, um die Geräte für eine eventuelle kommerzielle Nutzung zu entwickeln.

„Wir arbeiten auch daran, zu sehen, wofür die Plattform noch verwendet werden kann, wie z. B. schnelle Tests zu Hause auf Virusinfektionen und/oder das Vorhandensein von Krankheitserregern im Abwasser“, sagte Burch.