Chemici uit Montreal ontwikkelen een snelle, op DNA gebaseerde sensor om medicijnen te monitoren.

Chemici uit Montreal ontwikkelen een snelle, op DNA gebaseerde sensor om medicijnen te monitoren.

Chemici van de Université de Montréal hebben ‘signaalcascades’ van DNA-moleculen ontwikkeld om de concentratie van verschillende moleculen in een druppel bloed te rapporteren en te kwantificeren, allemaal binnen 5 minuten. Hun resultaten, gevalideerd door experimenten met muizen, zijn vandaag gepubliceerd inTijdschrift van de American Chemical Societygepubliceerd en zou kunnen helpen bij de ontwikkeling van draagbare apparaten om de behandeling van verschillende ziekten te monitoren en te optimaliseren.

Deze doorbraak werd bereikt door een onderzoeksgroep onder leiding van UdeM-chemieprofessor Alexis Vallée-Bélisle. “Een cruciale factor in het succes van verschillende behandelingen is het verstrekken en handhaven van een therapeutische medicijndosering tijdens de therapie”, zei hij. “Suboptimale therapeutische blootstelling vermindert de werkzaamheid en leidt doorgaans tot resistentie tegen geneesmiddelen, terwijl overmatige blootstelling de bijwerkingen vergroot.”

Het behouden van de juiste concentratie van medicijnen in het bloed blijft echter een grote uitdaging in de moderne geneeskunde. Omdat elke patiënt een ander farmacokinetisch profiel heeft, varieert de concentratie van geneesmiddelen in hun bloed aanzienlijk. Bij chemotherapie krijgen bijvoorbeeld veel kankerpatiënten niet de optimale dosering medicatie, en momenteel zijn er maar weinig tests die snel genoeg zijn om dit probleem op te sporen.

“Gemakkelijk uit te voeren tests kunnen de therapeutische monitoring van geneesmiddelen op grote schaal verspreiden en gepersonaliseerde behandelingen mogelijk makenzei Vincent De Guire, een klinisch biochemicus bij het UdeM-gelieerde Maisonneuve-Rosemont-ziekenhuis en voorzitter van de Laboratory Error and Patient Safety Working Group van de Internationale Federatie van Klinische Chemie en Laboratoriumgeneeskunde.

“Een verbonden oplossing, vergelijkbaar met een bloedglucosemeter in termen van draagbaarheid, betaalbaarheid en nauwkeurigheid, die de geneesmiddelconcentraties op het juiste moment meet en de resultaten rechtstreeks naar het zorgteam verzendt, zou ervoor zorgen dat patiënten de optimale dosis krijgen die hun kansen op herstel maximaliseert“, aldus De Guire in een onafhankelijke review van het onderzoek.

Hoe het gebeurde

Vallée-Bélisle, houder van een Canada Research Chair in Bioengineering en Bio-Nanotechnologie, heeft vele jaren onderzoek gedaan naar hoe biologische systemen de concentratie van moleculen in hun omgeving in realtime monitoren.

De doorbraak van deze nieuwe technologie kwam voort uit het observeren van hoe cellen de concentratie van moleculen in hun omgeving detecteren en kwantificeren.

“Cellen hebben 'signaleringscascades' op nanoschaal ontwikkeld, bestaande uit biomoleculen die zijn geprogrammeerd om te interageren om specifieke cellulaire activiteiten te activeren in de aanwezigheid van specifieke hoeveelheden externe stimuli of moleculenzei de eerste auteur van het onderzoek, Guichi Zhu, een postdoctoraal onderzoeker bij UdeM.

“Geïnspireerd door de modulariteit van de signaalsystemen van de natuur en het gemak waarmee ze kunnen evolueren om nieuwe moleculaire doelwitten te detecteren, hebben we vergelijkbare op DNA gebaseerde signaalcascades ontwikkeld die specifieke moleculen kunnen detecteren en kwantificeren door een gemakkelijk meetbaar elektrochemisch signaal te genereren.' zei ze.

Het principe van deze sensoren is eenvoudig: het moleculaire doelwit of medicijn dat moet worden gemonitord (groen weergegeven in de afbeelding hierboven) kan interageren met een specifiek DNA-molecuul dat een aptameer (geel molecuul) wordt genoemd. Na binding aan het moleculaire doelwit kan dit ‘aptameer’ DNA niet langer een ander elektroactief DNA (rood DNA) remmen, dat vervolgens het oppervlak van een elektrode kan bereiken en een elektrochemische stroom kan genereren die gemakkelijk kan worden gedetecteerd met een goedkope lezer.

“Een groot voordeel van deze op DNA gebaseerde elektrochemische tests is dat hun principe ook kan worden gegeneraliseerd naar veel verschillende doelen, waardoor we goedkope apparaten kunnen ontwikkelen die in vijf minuten veel verschillende moleculen kunnen detecteren in de spreekkamer of zelfs thuis.zei Vallée-Bélisle, wiens team hun nieuwe mechanisme valideerde door gedurende deze periode vier verschillende moleculen te detecteren.

Testen op muizen

Om te illustreren hoe dit nieuwe signaalmechanisme kan worden aangepast in een eenvoudig te gebruiken thuistest waarmee patiënten hun chemotherapie kunnen monitoren en optimaliseren, demonstreerden de auteurs ook realtime monitoring van een antimalariamedicijn in levende muizen. De huidige standaardtests vereisen doorgaans urenlange procedures en dure instrumenten.

Dit nieuwe signaalmechanisme produceert voldoende veranderingen in de elektrische stroom om te kunnen meten met goedkope elektronica, vergelijkbaar met de technologie in de bloedglucosemeters die door diabetici worden gebruikt om hun bloedsuikerspiegel te controleren.

“Met deze op DNA gebaseerde test konden we sensoren ontwikkelen voor meerdere bloedmoleculen, ook al was hun concentratie soms minder dan 100.000 keer minder geconcentreerd dan glucosezei Bal-Ram Adhikari, een andere postdoctorale onderzoeker van UdeM die aan het onderzoek deelnam.

Een patent voor deze uitvinding werd in licentie gegeven door het in Montreal gevestigde Anasens om de commercialisering ervan te versnellen.

Bronnen: