Forschungsteam entwickelt Nanosensor, der Biomarker mit Einzelmolekül-Präzision erkennen kann

Angeln ist für viele ein beliebtes Hobby, aber auch ein Zeitvertreib voller Ungewissheit. Jedes Mal, wenn Sie etwas auf dem Spiel haben, können Sie nie ganz sicher sein, welche Art von Fisch Sie gehakt haben, bis Sie ihn aus dem Wasser ziehen. In ähnlicher Weise können Wissenschaftler, die nach Biomarkern – Molekülen, deren Anwendungen im Gesundheitswesen das Vorhandensein von Krebs signalisieren – in Bioflüssigkeiten wie Blut „fischen“, ebenfalls auf Unvorhersehbarkeit stoßen. Einen bestimmten Protein-Biomarker in einem Pool von Tausenden zu finden, ist wie der Versuch, eine bestimmte Fischart im weiten Ozean zu fangen.

Glücklicherweise hat ein Team von Forschern des College of Arts and Sciences (A&S) der Syracuse University, der SUNY Upstate Medical University, Ichor Therapeutics und der Clarkson University einen winzigen Sensor in Nanogröße entwickelt, der in der Lage ist, Protein-Biomarker in einer Probe als Einzelmolekül nachzuweisen Präzision. Passenderweise als „Haken und Köder“ bezeichnet, verschmilzt ein winziger Proteinbinder mit einem kleinen Loch, das in der Membran einer Zelle entsteht – bekannt als Nanopore –, wodurch eine ionische Lösung hindurchfließen kann. Wenn der Sensor ein Zielmolekül erkennt, ändert sich der Ionenfluss. Diese Flussänderung dient als Signal des Sensors, dass der Biomarker gefunden wurde.

„Diese Nanoporen sind mit Haken ausgestattet, die bestimmte Protein-Biomarker aus einer Lösung ziehen“, sagt Liviu Movileanu, Professor für Physik an der A&S, der zusammen mit dem Postdoktoranden Mohammad Ahmad die Studie verfasst hat. „Indem wir sie schnell und genau aus der Lösung fischen, können wir Protein-Biomarker, die mit verschiedenen hämatologischen Malignomen und soliden Tumoren in Verbindung gebracht werden, besser identifizieren und quantifizieren.“

Die neuesten Forschungsergebnisse des Teams, veröffentlicht in Naturkommunikation, befasst sich mit früheren Herausforderungen, die bei der Verallgemeinerung dieser Technologie bestanden. Ihre neuen Erkenntnisse formulieren eine Sensordesignarchitektur, die auf eine breite Palette von Proteinzielen angewendet werden kann.

Kombination innovativer Technologien

Zum ersten Mal koppelte das Team die Nanoporen-Technologie mit der Antikörper-Mimetik-Technologie – künstlich entworfene Proteingerüste, die an einen spezifischen Biomarker binden und mit ihm interagieren und sich wie Antikörper verhalten. Zellen im Körper entwerfen ihre eigenen Antikörper, die an unerwünschte Substanzen binden und diese eliminieren. Bei Therapeutika entwickeln Wissenschaftler kleine Proteine, die in Zellen eindringen und die Produktion von Antikörpern anregen, die auf bestimmte Krankheitserreger wie Viren oder Bakterien abzielen.

„Forscher entwerfen die Gerüste unter Verwendung etablierter Gerüste aus Mutter Natur und passen sie durch evolutionäre Mutagenese an – wo sie Milliarden von DNA-Mutationen scannen, bis sie einige finden, die stark mit einem bestimmten Protein interagieren“, sagt Movileanu. „Die Entwicklung hochspezifischer Technologien zum Nachweis von Proteinen wird diese Anforderungen erfüllen und auch die Entdeckung neuer Biomarker mit potenziellen Folgen für das Fortschreiten pathologischer Zustände beschleunigen.“

Laut Movileanu arbeitet der Sensor nicht nur in einer sauberen Lösung, sondern auch in komplexen Bioflüssigkeiten wie Blutserum, die zahlreiche Antikörper enthalten.

„Im Wesentlichen haben Sie einen sehr spezifischen Haken, der auf ein sehr spezifisches Protein abzielt“, erklärt er. „Da das Signal genau das Protein codiert, auf das Sie abzielen, hat diese Technik keine falsch positiven Ergebnisse, was sie für die biomedizinische Diagnostik praktisch macht.“

Um ihre Ergebnisse zu validieren, testete das Team ihre Hypothese mit einer Blutserumprobe. Mit ihrer Technologie konnten sie den epidermalen Wachstumsfaktorrezeptor (EGFR), einen Protein-Biomarker bei verschiedenen Krebsarten, identifizieren und quantifizieren. Darüber hinaus wurden zahlreiche Kalibrierungen der Sensoren unter Verwendung anderer biophysikalischer Techniken durchgeführt.

An der Spitze der Diagnose

Während ihr Papier einen Konzeptprototypen liefert, sagt Movileanu, dass das Projekt den Weg für breite Anwendungen ebnet. Durch die Integration der Sensoren in nanofluidische Geräte würde diese Technologie es Wissenschaftlern beispielsweise ermöglichen, eine Probe auf viele verschiedene Biomarker gleichzeitig zu testen, was eine grundlegende Grundlage für den Nachweis von Biomarkern in komplexen Bioflüssigkeiten bietet.

„Die Zukunft der Medizin wird sich bei der Krebsdiagnose nicht mehr so ​​sehr auf Bildgebung und Biopsien verlassen“, sagt Movileanu. „Stattdessen werden Forscher Nanosensor-Technologie verwenden, wie wir sie in unserem Labor entwickeln, um Blutproben auf das Vorhandensein verschiedener Biomarker zu testen, die mit verschiedenen Krebsarten assoziiert sind. Diese Forschung ist entscheidend für die Zukunft der Prognose, Diagnostik und Therapie.“