Kemister i Montreal utvecklar snabba DNA-baserade sensorer för att övervaka droger.

Kemister i Montreal utvecklar snabba DNA-baserade sensorer för att övervaka droger.

Kemister vid Université de Montréal har utvecklat "signalkaskader" av DNA-molekyler för att rapportera och kvantifiera koncentrationen av olika molekyler i en droppe blod, allt inom 5 minuter. Deras resultat, validerade genom experiment på möss, publicerades idag iJournal of the American Chemical Societypublicerade och skulle kunna hjälpa till att utveckla bärbara enheter för att övervaka och optimera behandlingen av olika sjukdomar.

Detta genombrott uppnåddes av en forskargrupp ledd av UdeM kemiprofessor Alexis Vallée-Bélisle. "En kritisk faktor för framgången för olika behandlingar är att tillhandahålla och upprätthålla en terapeutisk läkemedelsdos under hela behandlingen," sa han. "Suboptimal terapeutisk exponering minskar effekten och leder vanligtvis till läkemedelsresistens, medan överexponering ökar biverkningarna."

Att upprätthålla den korrekta koncentrationen av läkemedel i blodet är dock fortfarande en stor utmaning inom modern medicin. Eftersom varje patient har olika farmakokinetisk profil varierar koncentrationen av läkemedel i blodet avsevärt. Med kemoterapi, till exempel, får många cancerpatienter inte den optimala dosen av medicin, och för närvarande är få tester tillräckligt snabba för att upptäcka detta problem.

"Lätt att utföra tester skulle kunna sprida terapeutisk läkemedelsövervakning i stor utsträckning och möjliggöra personliga behandlingarsa Vincent De Guire, en klinisk biokemist vid det UdeM-anslutna Maisonneuve-Rosemont Hospital och ordförande för Laboratory Errors and Patient Safety Working Group i International Federation of Clinical Chemistry and Laboratory Medicine.

"En uppkopplad lösning, liknande en blodsockermätare när det gäller portabilitet, överkomlighet och noggrannhet, som mäter läkemedelskoncentrationer vid rätt tidpunkt och överför resultaten direkt till vårdteamet skulle säkerställa att patienterna får den optimala dosen som maximerar deras chanser att återhämta sigsa De Guire i en oberoende granskning av studien.

Hur det gick till

Innehavare av en Canada Research Chair in Bioengineering and Bio-Nanotechnology, Vallée-Bélisle har ägnat många år åt att undersöka hur biologiska system övervakar koncentrationen av molekyler i deras miljö i realtid.

Genombrottet för denna nya teknik kom från att observera hur celler upptäcker och kvantifierar koncentrationen av molekyler i sin miljö.

"Celler har utvecklat nanoskala "signalkaskader" som består av biomolekyler programmerade att interagera för att aktivera specifika cellulära aktiviteter i närvaro av specifika mängder externa stimuli eller molekylersa studiens första författare, Guichi Zhu, en postdoktor vid UdeM.

"Inspirerade av modulariteten hos naturens signalsystem och den lätthet med vilken de kan utvecklas för att upptäcka nya molekylära mål, har vi utvecklat liknande DNA-baserade signaleringskaskader som kan detektera och kvantifiera specifika molekyler genom att generera en lätt mätbar elektrokemisk signal" sa hon.

Principen för dessa sensorer är enkel: det molekylära målet eller läkemedlet som ska övervakas (visas i grönt i figuren ovan) kan interagera med en specifik DNA-molekyl som kallas en aptamer (gul molekyl). Vid bindning till det molekylära målet kan detta "aptamer" DNA inte längre hämma ett annat elektroaktivt DNA (rött DNA), som sedan kan nå ytan av en elektrod och generera en elektrokemisk ström som lätt kan detekteras med en lågkostnadsläsare.

"En stor fördel med dessa DNA-baserade elektrokemiska tester är att deras princip också kan generaliseras till många olika mål, vilket gör att vi kan utveckla billiga enheter som kan upptäcka många olika molekyler på fem minuter på läkarmottagningen eller till och med hemmasa Vallée-Bélisle, vars team validerade sin nya mekanism genom att detektera fyra olika molekyler under denna tid.

Tester på möss

För att illustrera hur denna nya signalmekanism kan anpassas till ett lättanvänt hemtest som tillåter patienter att övervaka och optimera sin kemoterapi, visade författarna också realtidsövervakning av ett antimalariamedel i levande möss. De nuvarande standardtester som används kräver vanligtvis timmar långa procedurer och dyr instrumentering.

Denna nya signalmekanism producerar tillräckligt med förändringar i elektrisk ström för att kunna mätas med billig elektronik, liknande tekniken i de blodsockermätare som används av diabetiker för att kontrollera sitt blodsocker.

"Detta DNA-baserade test gjorde det möjligt för oss att utveckla sensorer för flera blodmolekyler, även om deras koncentration ibland var mindre än 100 000 gånger mindre koncentrerad än glukossa Bal-Ram Adhikari, en annan UdeM postdoktoral forskare som deltog i studien.

Ett patent för denna uppfinning licensierades av Montreal-baserade Anasens för att påskynda kommersialiseringen.

Källor: