Это беспроводное портативное неинвазивное устройство обнаруживает биомаркеры болезней Альцгеймера и Паркинсона.

Команда протестировала устройство на образцах in vitro от пациентов и показала, что оно так же точно, как и современное состояние техники. В конечном итоге исследователи планируют протестировать образцы слюны и мочи с помощью биосенсора. Устройство может быть модифицировано для обнаружения биомаркеров и других заболеваний.

Исследователи представляют свои выводы в выпуске журнала от 13 ноября 2023 г. Труды Национальной академии наук.

Устройство основано на электрическом, а не на химическом обнаружении, которое, по словам исследователей, проще в реализации и более точное.

«Эта портативная диагностическая система позволит проводить тестирование нейродегенеративных заболеваний дома и в местах оказания медицинской помощи, например в клиниках и домах престарелых, во всем мире», — сказал Ратнеш Лал, профессор биоинженерии, машиностроения и материаловедения в Школе Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Диего. Engineering и один из авторов статьи.

К 2060 году около 14 миллионов американцев будут страдать от болезни Альцгеймера. Другие нейродегенеративные заболевания, такие как болезнь Паркинсона, также растут. Современные методы тестирования на болезни Альцгеймера и Паркинсона требуют спинномозговой пункции и визуализирующих исследований, включая МРТ. В результате раннее выявление заболевания затруднено, поскольку пациенты отказываются от инвазивных процедур. Тестирование также затруднено для пациентов, у которых уже проявляются симптомы и которые испытывают трудности с передвижением, а также для тех, у кого нет раннего доступа в местные больницы или медицинские учреждения.

Одна из преобладающих гипотез в этой области, на которой сосредоточился Лал, заключается в том, что болезнь Альцгеймера вызывается растворимыми амилоидными пептидами, которые объединяются в более крупные молекулы, которые, в свою очередь, образуют ионные каналы в мозге.

Лал хотел разработать тест, который позволил бы обнаруживать бета-амилоидные пептиды и тау-пептиды (биомаркеры болезни Альцгеймера) и белки альфа-синуклеина (биомаркеры болезни Паркинсона) неинвазивно, в частности, из слюны и мочи. Он хотел полагаться на электрическое, а не на химическое обнаружение, поскольку считает, что его проще реализовать и он более точен. Он также хотел создать устройство, которое могло бы передавать результаты анализов по беспроводной сети семье пациента и врачам. Устройство является результатом его тридцатилетнего опыта, а также сотрудничества с исследователями со всего мира, включая соавторов этой работы из Техаса и Китая.

«Я пытаюсь улучшить качество жизни и спасти жизни», — сказал он.

Чтобы реализовать видение Лала, он и его коллеги адаптировали устройство, которое они разработали во время пандемии COVID, для обнаружения белков-шипов и нуклеопротеинов в живом вирусе SARS-CoV-2, которое они описали в PNAS в 2022 году. Этот прорыв стал возможен благодаря чипу. миниатюризация и крупномасштабная автоматизация производства биосенсоров.

Как устроено устройство и как оно работает

Устройство, описанное в исследовании PNAS 2023 года, состоит из микросхемы с высокочувствительным транзистором, широко известным как полевой транзистор (FET). В этом случае каждый транзистор состоит из слоя графена толщиной в один атом (GFET, где буква G обозначает графен) и трёх электродов — истока и стока, подсоединённых к положительному и отрицательному полюсам батареи для пропускания тока. электрический ток и электрод затвора для управления величиной протекающего тока.

К затворному электроду подключена одна нить ДНК, которая служит зондом, специфически связывающимся с белками бета-амилоида, тау-белка или синуклеина. Связывание этих амилоидов с их специфическим зондом цепи ДНК, называемым аптамером, изменяет величину тока между истоком и стоковым электродом. Изменение этого тока или напряжения является сигналом, используемым для обнаружения специфических биомаркеров, таких как амилоиды или белки COVID 19.

Исследовательская группа протестировала устройство с амилоидными белками, полученными из мозга умерших пациентов с болезнью Альцгеймера и Паркинсона. Эксперименты показали, что биосенсоры способны обнаруживать специфические биомаркеры для обоих состояний с большой точностью, наравне с существующими современными методами. Устройство также работает при чрезвычайно низких концентрациях, а это означает, что для проб ему требуются небольшие количества — всего несколько микролитров.

Кроме того, испытания показали, что устройство работает хорошо, даже когда анализируемые образцы содержали другие белки. Тау-белки было труднее обнаружить. Но поскольку устройство рассматривает три разных биомаркера, оно может объединить результаты всех трех, чтобы получить надежный общий результат.

Лицензия на технологию была получена от Калифорнийского университета в Сан-Диего биотехнологическому стартапу Ampera Life. Лал является председателем компании, но не получает от компании финансовой поддержки своих исследований.

Следующие шаги включают тестирование плазмы крови и спинномозговой жидкости с помощью устройства, а затем, наконец, анализы слюны и мочи. Испытания будут проводиться в больницах и домах престарелых. Если эти испытания пройдут успешно, Ampera Life планирует подать заявку на одобрение FDA для устройства, будем надеяться, в ближайшие пять или шесть месяцев. Конечная цель — вывести устройство на рынок через год.

Финансирование исследования поступило от Национальных институтов здравоохранения, Калифорнийского университета в Сан-Диего и Китайской академии наук. Кроме того, исследователи использовали оборудование, которое является частью финансируемого NSF Центра исследований материалов и инженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего.

В поисках диагностики дегенеративных заболеваний головного мозга: биомаркеры деменции, обнаруженные с помощью портативного графенового биосенсора, прикрепленного к ДНК-аптамеру

Калифорнийский университет в Сан-Диего: Тайлер А. Бодили, Анируд Раманатан, Абхиджит Каркисавал, Армандо Рами, Прачи Хеда. М. Лейте, Ратнеш Лал Шанхайский институт микросистемных информационных технологий Шахун Вэй, И Ван, Те Ли, Цзяньлун Чжао

Университет Китайской академии наук Шахонг Вэй

Медицинский филиал Техасского университета, Галвестон, Техас Немил Бхатт, Синтия Херес, доктор медицинских наук Анзарул Хак Университет Иллинойса Урбана-Шампейн Санджив Кумар