Hierbei handelt es sich um auf Nanoporen basierende Sensoren, die durch die Erfassung von Signalen einzelner Moleküle eine deutlich schnellere und präzisere Diagnose von Krankheiten ermöglichen können als aktuelle Tests. Da die Moleküle, die Wissenschaftler nachweisen wollen – in der Regel bestimmte DNA- oder Proteinmoleküle – etwa einen Milliardstel Meter breit sind, sind die von ihnen erzeugten elektrischen Signale verschwindend klein und erfordern spezielle Nachweisinstrumente.
Hauptautor Kevin Freedman, Professor für Bioingenieurwesen an der UCR, kommentiert den Stand der Wissenschaft: „Derzeit sind Millionen von Molekülen erforderlich, um Krankheiten zu erkennen. Wir zeigen, dass es möglich ist, nützliche oder sogar ausreichende Daten von einem einzelnen Molekül zu erhalten.“
1 Molekül und eine ausreichende Empfindlichkeit für die Diagnose
Das kalifornische Team entwickelt elektronische Detektoren, die sich wie Neuronen im Gehirn verhalten und Erinnerungen speichern können: genauer gesagt Erinnerungen an Moleküle, die zuvor den Sensor passiert haben. Zu diesem Zweck haben UCR-Wissenschaftler ein neues Schaltungsmodell entwickelt, das kleine Änderungen im Verhalten des Sensors berücksichtigt. Das Herzstück des Kreislaufs ist eine Nanopore, eine winzige Öffnung, durch die Moleküle nacheinander passieren. Biologische Proben werden mit Salzen in den Kreislauf geladen, die in Ionen zerfallen. Wenn Protein- oder DNA-Moleküle aus der Probe durch die Pore dringen, verringert dies den Fluss passierender Ionen. „Unser Detektor misst die Verringerung des Flusses, die dadurch verursacht wird, dass ein Protein oder DNA-Fragment hindurchtritt und den Durchgang von Ionen blockiert.“
Die Nanopore ist also nicht nur ein SensorEs fungiert jedoch selbst als Filter und reduziert das Hintergrundrauschen anderer Moleküle in einer Probe, das möglicherweise kritische Signale überdeckt.
Herkömmliche Sensoren erfordern externe Filter, um unerwünschte Signale zu entfernen, und diese Filter können versehentlich wertvolle Informationen aus Proben entfernen. Der neue Ansatz stellt sicher, dass das Signal jedes Moleküls erhalten bleibt und erhöht so die Genauigkeit diagnostischer Anwendungen.
Bald kleine tragbare Diagnosekits? Dies ist das ultimative Ziel dieser Wissenschaftler, die nach diesem Prinzip an einem Gerät arbeiten, das nicht größer als ein USB-Stick ist und Infektionen frühzeitig erkennen könnte.
Während aktuelle Tests Infektionen möglicherweise mehrere Tage nach der Exposition nicht erkennen, können Nanoporensensoren Infektionen innerhalb von 24 bis 48 Stunden erkennen.
Ein wesentlicher Vorteil bei sich schnell ausbreitenden Krankheiten,
Dies ermöglicht eine frühere Intervention und Behandlung.
„Nanoporen bieten eine Möglichkeit, Infektionen früher zu erkennen, bevor Symptome auftreten und sich die Krankheit ausbreitet. Ein solches Instrument könnte die Frühdiagnose bei Virusinfektionen, aber auch bei chronischen Krankheiten wesentlich praktischer machen.“
Die Forschung markiert auch einen Schritt in diese Richtung Einzelmolekül-Proteinsequenzierung (oder auf der Ebene einer einzelnen Zelle), ein seit langem angestrebtes Ziel in der Biologie. Während die DNA-Sequenzierung genetische Anweisungen aufdeckt, liefert die Proteinsequenzierung Einblicke in die Art und Weise, wie diese Anweisungen in Echtzeit ausgedrückt und geändert werden. Kurz gesagt, eine neue Technologie, die eine frühere Erkennung von Krankheiten und präzisere und besser personalisierte Therapien ermöglicht.
„Wir sind davon überzeugt, dass Nanoporen schon bald zum Alltag gehören werden.“
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