Neuer DNA-Biosensor könnte leistungsstarke, kostengünstige klinische Diagnostik ermöglichen

DNA kann das Vorhandensein oder die Veranlagung für eine Reihe von Krankheiten, einschließlich Krebs, signalisieren. Die Fähigkeit, diese Hinweise, die als Biomarker bekannt sind, zu markieren, ermöglicht es Medizinern, wichtige Frühdiagnosen zu stellen und personalisierte Behandlungen anzubieten. Die typischen Screening-Methoden können mühsam, teuer oder in ihrer Aufdeckung begrenzt sein. Ein neuer Biosensor-Chip, der sich durch ein genaues und kostengünstiges Design auszeichnet, könnte den Zugang zu hochwertiger Diagnostik verbessern.

Der von Forschern des National Institute of Standards and Technology (NIST), der Brown University und des französischen Forschungsinstituts CEA-Leti entwickelte Biosensor identifiziert Biomarker, indem er misst, wie die Bindung zwischen DNA-Strängen und dem Gerät erfolgt. Was ihn von anderen ähnlichen Sensoren unterscheidet, ist sein modularer Aufbau, der die Kosten senkt, indem er die Massenproduktion erleichtert und die Wiederverwendung der teuersten Komponenten ermöglicht.

In einem soeben online gestellten Artikel des jüngsten IEEE International Electron Devices Meeting präsentierten die Forscher Ergebnisse einer Studie, die die hohe Empfindlichkeit und Präzision des Geräts trotz seiner Modularität, die typischerweise mit einer verminderten Leistung einhergeht, demonstriert.

Wie andere DNA-Biosensoren nutzt das Gerät die Tatsache, dass ein einzelner DNA-Strang, wenn er nicht innerhalb der bekannten Doppelhelix mit einem anderen gepaart ist, für eine chemische Bindung vorbereitet wird. Ein Teil des Geräts ist mit einzelnen DNA-Strängen beschichtet. Wenn diese „Sonden“ auf DNA-Biomarker treffen, die eine entsprechende oder komplementäre genetische Sequenz aufweisen, verbinden sich die beiden Stränge und senden ein Signal, das vom Gerät aufgenommen wird.

„Um die Messung durchzuführen, benötigen wir zwei DNA-Moleküle. Wir platzieren einen Strang auf unserem Sensor, der komplementär zur Ziel-DNA ist, das ist die sprichwörtliche Nadel im Heuhaufen“, sagte NIST-Forscher Arvind Balijepalli, Mitautor der neuen Studie .

Wenn ein Strang der Ziel-DNA an eine Sonde bindet, induziert er eine Spannungsverschiebung, die ein Halbleiterbauelement, genannt Feldeffekttransistor (FET), messen kann. Diese Spannungsverschiebungen können hunderte Male pro Sekunde auftreten, wenn die Moleküle auf den Sensor auf- und abspringen.

Aufgrund seiner hohen Zeitauflösung kann Ihnen dieser Ansatz nicht nur sagen, ob ein DNA-Strang an eine Sonde gebunden ist, sondern auch, wie lange es dauert, sich zu verbinden und zu trennen – ein Faktor, der als Bindungskinetik bezeichnet wird und der Schlüssel zur Unterscheidung verschiedener Marker ist, an die er binden kann die gleiche Sonde in unterschiedlichem Maße.

Und mit dieser Methode brauchen Sie nicht viel Platz, um viel zu messen.

„Das ist eine sehr skalierbare Technik. Im Prinzip können wir Hunderte, wenn nicht Tausende von Sensoren auf einer Fläche von einem Quadratmillimeter in ein Gerät von der Größe eines Smartphones integrieren, was viel weniger umständlich ist als einige der derzeit verwendeten Technologien der Klinik“, sagte Balijepalli.

FET-basierte Methoden müssen jedoch noch den Mainstream erreichen. Ein wesentlicher Stolperstein ist ihre Einwegnatur, die bisher als Notwendigkeit erschien, aber ihre Kosten erhöht.

Ähnlich wie Ihr Radio immer lauter wird, wenn Sie von einem Radiosender wegfahren, werden auch elektrische Signale lauter, je länger sie innerhalb der Elektronik reisen müssen. Das unerwünschte zufällige Rauschen, das auf dem Weg aufgenommen wird, erschwert die Messung des Signals.

Um das Rauschen zu begrenzen, werden DNA-Sonden in FET-basierten Sensoren normalerweise direkt an den Transistor angeschlossen, der das Signal in lesbare Daten umwandelt. Der Nachteil besteht darin, dass die Sonden verbraucht sind, nachdem sie einer Probe ausgesetzt wurden, und somit auch die gesamte Vorrichtung.

In der neuen Studie vergrößerten Balijepalli und seine Kollegen den Abstand zwischen den Sonden und dem Transistor, damit die teureren Elemente der Schaltung wiederverwendet werden konnten. Die Vorabstrafe war, dass die Entfernung die Lärmmenge erhöhen könnte; Die Wahl des Designs konnte jedoch viel gewinnen, sogar über die Kosteneinsparungen hinaus.

„Wenn das Lesegerät wiederverwendbar ist, können wir eine ausgefeiltere Technologie einbauen und eine höhere Präzision aus den Messwerten herausholen, und es kann mit dem kostengünstigen und wegwerfbaren Sensorelement verbunden werden“, sagte Balijepalli.

Da sie erwarteten, dass das modulare Design die Empfindlichkeit des Biosensors verringern würde, nahmen die Forscher eine Seite aus dem Internet of Things (IoT)-Handbuch, das die mit drahtlosen Geräten verbundenen Verluste berücksichtigt. Die NIST-Autoren koppelten ihre Schaltkreise mit einem speziellen Typ von extrem stromsparendem FET, der am CEA-LETI entwickelt wurde und in Smartwatches, persönlichen Assistenten und anderen Geräten verwendet wird, um Signale zu verstärken und die verlorene Empfindlichkeit auszugleichen.

Um die Leistung ihres Geräts zu testen, legten sie es in flüssige Proben, die DNA-Stränge enthielten, die mit der Exposition gegenüber schädlicher ionisierender Strahlung in Verbindung gebracht wurden. Komplementäre DNA-Sonden schmückten Elektroden, die mit dem FET verdrahtet waren. Über mehrere Proben hinweg variierten sie die Menge an Ziel-DNA.

Die Forscher fanden heraus, dass die Bindungskinetik empfindlich genug war, um auch bei niedrigen Konzentrationen genaue Messungen durchzuführen. Insgesamt entsprach die Leistung des modularen Designs der von integrierten, nichtmodularen FET-basierten Biosensoren.

Der nächste Schritt in ihrer Forschung besteht darin, herauszufinden, ob ihr Sensor mit unterschiedlichen DNA-Sequenzen, die durch Mutationen verursacht werden, ähnlich funktionieren kann. Da viele Krankheiten durch mutierte DNA verursacht werden oder damit zusammenhängen, ist diese Fähigkeit für die klinische Diagnostik unerlässlich.

Andere Studien können die Fähigkeit des Sensors bewerten, mit Viren wie COVID-19 assoziiertes genetisches Material zu erkennen, das auf eine Infektion hindeuten könnte.

In der Zwischenzeit könnte die neue Technologie eine tragfähige Grundlage darstellen, auf der aufgebaut werden kann.

„Es besteht die Möglichkeit, anspruchsvollere modulare Sensoren zu entwickeln, die viel besser zugänglich sind, ohne auf qualitativ hochwertige Messungen verzichten zu müssen“, sagte Balijepalli.

Die Forschung ist veröffentlicht in Internationales Treffen für Elektronengeräte 2022 (IEDM).