Een internationaal team van wetenschappers heeft een draagbaar, niet-invasief apparaat ontwikkeld dat biomarkers voor de ziekten van Alzheimer en Parkinson kan detecteren. De biosensor kan ook draadloos testresultaten naar een laptop of smartphone sturen.
Het apparaat is met succes getest op in-vitromonsters van patiënten, waarbij een nauwkeurigheid werd aangetoond die vergelijkbaar is met de huidige, geavanceerde methoden. De volgende fase is het uitvoeren van experimenten met speeksel- en urinemonsters met behulp van deze biosensor. Bovendien zou het apparaat mogelijk kunnen worden gebruikt om biomarkers voor een verscheidenheid aan andere aandoeningen te detecteren.
De onderzoekers zeggen dat het apparaat afhankelijk is van elektrische detectie in plaats van chemische detectie, waardoor het eenvoudiger te implementeren en nauwkeuriger is. Hun onderzoeksresultaten zijn onlangs gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences.
"Dit draagbare diagnostische systeem zou wereldwijd testen op neurodegeneratieve ziekten in huis en op de zorglocatie (zoals klinieken en verpleeghuizen) mogelijk kunnen maken", zegt Ratnesh Lal, hoogleraar bio-engineering, werktuigbouwkunde en materiaalkunde aan de Jacobs School of Engineering van UC San Diego en een van de corresponderende auteurs van het artikel.
Er is dringend behoefte aan vroegtijdige detectie
In 2060 zullen ongeveer 14 miljoen Amerikanen getroffen worden door de ziekte van Alzheimer. Andere neurodegeneratieve ziekten, zoals de ziekte van Parkinson, nemen ook toe. De huidige state-of-the-art tests voor de ziekte van Alzheimer en Parkinson vereisen een ruggenmergpunctie en beeldvormingstests, waaronder een MRI. Als gevolg hiervan is vroege detectie van de ziekte moeilijk, omdat patiënten worden afgeschrikt door invasieve procedures. Testen is ook moeilijk voor patiënten die al symptomatisch zijn, beperkte mobiliteit hebben en niet vroeg genoeg naar een plaatselijk ziekenhuis of medische instelling kunnen gaan.
Een populaire hypothese op het gebied waarop Lal zijn onderzoek richt, is dat de ziekte van Alzheimer wordt veroorzaakt door oplosbare amyloïde peptiden die zich aggregeren tot grotere moleculen en ionenkanalen in de hersenen vormen.
Lal hoopt een test te ontwikkelen die op niet-invasieve wijze amyloïde bèta- en tau-peptiden, biomarkers voor de ziekte van Alzheimer, en alfa-synucleïne, een biomarker voor de ziekte van Parkinson, kan detecteren, met name uit speeksel en urine. Hij wil vertrouwen op elektronische tests in plaats van op chemische tests, omdat hij gelooft dat elektronische tests gemakkelijker te implementeren en nauwkeuriger zijn. Hij wil ook een apparaat bouwen dat draadloos testresultaten kan verzenden naar de families van patiënten en artsen. Het apparaat is het resultaat van drie decennia aan expertise en samenwerking met onderzoekers over de hele wereld, waaronder co-auteurs van dit werk uit Texas en China.
Om de visie van Lal te verwezenlijken, pasten hij en zijn collega’s een apparaat aan dat ze tijdens de COVID-pandemie hadden ontwikkeld om piek- en nucleoproteïnen in levende SARS-CoV-2-virussen te detecteren, dat ze in 2022 beschreven in de Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Chipminiaturisatie en grootschalige automatisering van de productie van biosensoren maakten deze doorbraak mogelijk.
Hoe de apparatuur wordt vervaardigd en werkt
Het apparaat dat wordt beschreven in het onderzoek van Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) uit 2023 bestaat uit een chip met zeer gevoelige transistors, algemeen bekend als veldeffecttransistors (FET's). In dit geval bestaat elke transistor uit een grafeenlaag van één atoom dik (GFET, waarbij G staat voor grafeen) en drie elektroden: source en drain (verbonden met de positieve en negatieve polen van de batterij, gebruikt om stroom te laten stromen) en een poort (gebruikt om de hoeveelheid stroom te regelen).
Aan de poort is een DNA-streng bevestigd die dient als een probe die specifiek bindt aan amyloïde bèta, tau of synucleïne. De binding van deze amyloïde eiwitten aan hun specifieke DNA-strengprobes, aptameren genoemd, verandert de grootte van de stroom tussen de bron en de afvoer. Deze verandering in stroom of spanning is het signaal dat wordt gebruikt om specifieke biomarkers te detecteren, zoals amyloïde of COVID-19-eiwitten.
Het team testte het apparaat op uit de hersenen afkomstige amyloïde van Alzheimer- en Parkinsonpatiënten. Experimentele resultaten laten zien dat de biosensor in staat is om zeer nauwkeurig specifieke biomarkers voor beide ziekten te detecteren, vergelijkbaar met bestaande state-of-the-art methoden. Het apparaat werkt ook bij extreem lage concentraties, wat betekent dat er een klein monstervolume van slechts enkele microliters nodig is.
Uit tests bleek bovendien dat het apparaat goed werkt, zelfs als de geanalyseerde monsters andere eiwitten bevatten. Tau-eiwit is moeilijker te detecteren. Maar omdat het apparaat drie verschillende biomarkers detecteert, kan het de resultaten van alle drie combineren om een betrouwbaar totaalresultaat te verkrijgen.
De technologie is door UC San Diego in licentie gegeven aan AmperaLife, een biotech-startup. Lal is voorzitter van het bedrijf, maar zijn onderzoek wordt momenteel niet door het bedrijf gefinancierd.
De volgende stappen omvatten het gebruik van het apparaat om plasma en hersenvocht te testen, en uiteindelijk speeksel- en urinemonsters. Er zullen tests worden uitgevoerd in ziekenhuizen en verpleeghuizen. Als deze tests goed verlopen, is AmperaLife van plan om FDA-goedkeuring voor het apparaat aan te vragen, die het binnen de komende vijf of zes maanden hoopt te ontvangen. Het uiteindelijke doel is om het toestel binnen een jaar op de markt te hebben.
Samengesteld uit ScitechDaily