Nanobiotech stelt de diagnose

Starend naar een elektrische meter, wacht Yi Cui, een afgestudeerde student in het laboratorium van de scheikundige Charles Lieber aan de universiteit van Harvard, op bewijs van een opmerkelijke prestatie in eenvoudige, ultragevoelige diagnostiek. Zijn doelwit is prostaatkanker. Zijn nieuwe gereedschap is een microchip met 10 siliciumdraden, elk slechts 10 nanometer (miljardste van een meter) breed. Deze nanodraden zijn ingesmeerd met biologische moleculen met een affiniteit voor PSA, een eiwit dat bij mannen van een bepaalde leeftijd maar al te bekend is als het veelbetekenende teken van prostaatkanker. Als het experiment volgens plan verloopt, zal er een detecteerbaar elektrisch signaal zijn wanneer de PSA-moleculen aan de nanodraden binden.

Cui wast een oplossing met prostaatkankereiwitten over de chip. Onmiddellijk registreert de meter subtiele veranderingen, wat niet alleen aangeeft dat het apparaat het eiwit heeft gedetecteerd, maar dat het misschien maar drie of vier moleculen heeft gedetecteerd, onmiddellijk en met minimale monstervoorbereiding - een voorheen ongehoorde prestatie. De implicaties voor de diagnostiek zijn enorm. Een succesvolle prostaatkankertest moet onderscheid maken tussen normale en verhoogde eiwitniveaus. Ultragevoelige sensoren zoals die van Lieber konden de geringste toename waarnemen; bovendien zouden ze dit kunnen doen in goedkope, wegwerptests die patiënten thuis zouden kunnen gebruiken tussen bezoeken aan de dokter. Als ik risico zou lopen op een bepaalde vorm van kanker, zou ik geen risico willen nemen en een jaar lang wachten tot sommige kankercellen wild uit de hand lopen omdat de vorige test het gemist heeft, zegt Lieber.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van mei 2002

• Zie de rest van het probleem
• Abonneren

Hoewel dit nanodraadapparaat slechts een experimenteel prototype is, loopt het in de voorhoede van een groeiende inspanning in laboratoria over de hele wereld om nano-elektronica en biologie te combineren in een nieuw veld genaamd nanobiotechnologie. Deze hybride discipline produceert een verscheidenheid aan hulpmiddelen - van arrays van kleine sensoren die specifieke biologische moleculen kunnen detecteren tot microscopische systemen die uit silicium zijn gesneden en die individuele strengen DNA kunnen lezen die een nieuw venster op biologische moleculen kunnen bieden.

De implicaties voor geneeskunde en biotechnologie zijn legio. Naast het opsnuiven van de kleinste geurtjes van ziekte - of misschien het detecteren van een enkele miltvuurspoor - zouden deze apparaten een veel snellere en gemakkelijkere diagnose van complexe ziekten kunnen bieden. Ze kunnen bijvoorbeeld vroegtijdig waarschuwen voor hartaanvallen, waarvan het visitekaartje subtiele veranderingen zijn in de mix van tientallen eiwitten. Als alternatief kan een enkele microchip een alomvattende diagnose stellen op basis van een druppel bloed. En voor medicijnonderzoekers kunnen nanobiotech-gadgets nieuwe hulpmiddelen betekenen om potentiële medicijnen sneller te ontdekken en te evalueren, door miljoenen verschillende kandidaat-geneesmiddelen tegelijk te screenen. Sommige van deze ambitieuzere doelen zullen waarschijnlijk jaren in beslag nemen, maar nanobiotech zou kunnen leiden tot echte apparaten die omslachtige laboratoriumprocedures in slechts twee jaar beginnen te vervangen door goedkope, nauwkeurige microchips.

Deze eerste producten - chips die zijn gemanipuleerd om een ​​specifieke ziekte of cluster van genetische aandoeningen te detecteren - worden al ontwikkeld bij bijna een dozijn nanobiotech-startups (zie Sensing Succes ) . Larry Bock, CEO van Palo Alto, CA-gebaseerde startup Nanosys [ KINDEREN bestuurslid Robert Metcalfe is medeoprichter en directeur van Nanosys. Ed.], die de technologie van Lieber in licentie heeft gegeven, voorspelt dat zijn bedrijf binnen drie jaar een commerciële sensor op de markt zal brengen, eerst voor gebruik als onderzoekshulpmiddel om potentiële medicijnen snel te screenen, en later als een goedkope, wegwerpbare thuistest voor prostaatkanker en misschien andere vormen van kanker. Mensen praten over alle wonderen van nanotechnologie, maar zeggen dan dat het de komende twintig jaar niet zal gebeuren, zegt Chad Mirkin, een chemicus en directeur van het Institute for Nanotechnology aan de Northwestern University. Maar dat is absoluut onjuist voor zaken als diagnostiek. Je gaat de komende twee jaar producten op de markt zien.

Kracht in cijfers

Biologie en elektronica bestaan ​​al lang in afzonderlijke universums. Maar omdat biologische moleculen, zoals DNA en eiwitten, ongeveer een paar nanometer groot zijn, en omdat natuurkundigen en scheikundigen nu leren hoe ze elektronische apparaten op precies die schaal kunnen maken, komen deze universums met elkaar in botsing. Het resultaat is een nieuwe klasse apparaten die het vermogen van biologische moleculen om selectief te binden met andere moleculen combineren met het vermogen van nano-elektronica om de kleine elektrische veranderingen die door een dergelijke binding worden veroorzaakt, onmiddellijk te detecteren. Wat echt interessant is aan deze technologie, is dat je de anorganische componenten die normaal in een elektrische chip zouden zitten, kunt nemen en ze kunt combineren met biologische moleculen, zegt Paul Alivisatos, wetenschappelijk medeoprichter van Nanosys en chemicus aan de University of California, Berkeley .

Inderdaad, nano-elektronische apparaten zoals degene die in Lieber's lab is gebouwd (zien Gevoelige draad ) het ingewikkelde apparaat dat nu nodig is voor ultragevoelige detectie zou kunnen afschaffen. Als je vandaag in een laboratorium enkelvoudige moleculen zou willen detecteren, zou je een laser nodig hebben met de lengte van een bureau en veel geavanceerde optica, chemische labels om het signaal voldoende te versterken om het te kunnen zien, zegt Bock.

Als zulke ultragevoelige apparaten zo klein worden gemaakt dat ze op chips kunnen worden gezet, kunnen tal van toepassingen in de diagnostiek plaatsvinden. Stanford University-chemicus Hongjie Dai heeft bijvoorbeeld een apparaat gebouwd dat glucose kan detecteren met een enkele koolstofnanobuis, een groot koolstofmolecuul met uitstekende elektrische eigenschappen (zien De nanobuiscomputer , KINDEREN maart 2002) . De glucosemoleculen reageren met moleculen op het oppervlak van de nanobuis, waardoor elektrische signalen ontstaan ​​die overeenkomen met de glucoseconcentraties, zegt hij. Hoewel het tegenwoordig slechts een proof of concept is, zou een dergelijk apparaat kunnen worden ontwikkeld tot een implanteerbare glucosesensor voor diabetici. In december lanceerde Dai Molecular Nanosystems in Palo Alto, CA, om op nanobuisjes gebaseerde apparaten, waaronder biosensoren, op de markt te brengen.

Voor veel toepassingen is echter niet een eenzame nanodetector nodig, maar een dichte reeks ervan. Op die manier kunt u snel duizenden, zelfs miljoenen verschillende biologische moleculen zoeken in een enkele druppel bloed of andere lichaamsvloeistof, waardoor de diagnose van ziekten met complexe moleculaire kenmerken mogelijk wordt. Een dergelijke ziekte is reumatoïde artritis - een auto-immuunziekte met vele varianten, elk gekenmerkt door subtiele verschillen in eiwitgroepen. Idealiter zou elke variant worden bestreden met een iets andere behandeling; in de praktijk worden patiënten tegenwoordig over het algemeen op dezelfde manier behandeld. Maar, zegt Dai, een nano-array zou kunnen dienen als een zeer nauwkeurig en onderscheidend diagnostisch apparaat, dat een routekaart biedt voor aangepaste behandeling.

Deze arrays van nanodetectoren beloven voordelen ten opzichte van bestaande technologieën, zoals DNA-chips, en degenen die in ontwikkeling zijn, zoals eiwitchips. Al dergelijke chips vereisen fluorescerende labeling van moleculen en optische microscopen om de gloed te detecteren die wordt afgegeven wanneer binding plaatsvindt (zie DNA-chips gericht op kanker, KINDEREN juli / augustus 2001) . Bovendien moeten er ongeveer duizend moleculen aan elk sensorelement binden om de gloed te creëren. Met nano-elektronica is geen omvangrijke, dure apparatuur nodig en is directe detectie van slechts een paar moleculen mogelijk.

Gevoelige draad

Om een ​​ziektegerelateerd eiwit in een bloedmonster te detecteren, wordt een siliciumdraad van slechts 10 nanometer breed gecoat met biomoleculen die alleen aan dat eiwit binden (zie hieronder). Wanneer het ziekte-eiwit zich bindt aan een molecuul op de draad (inzet), verandert de geleiding van de draad, wat een onmiddellijk elektrisch signaal oplevert.

Kleverig DNA

Maar sensoren met eigenschappen op nanoschaal kunnen alleen slagen als ze plakkerig genoeg zijn om moleculen van belang te grijpen. Mirkin van Northwestern ziet waarde in goud: in het bijzonder gouddeeltjes op nanoschaal, waaraan hij meerdere DNA-fragmenten hecht die zich op DNA-doelen kunnen hechten. Elk gouddeeltje wordt als klittenband, zegt hij. In de komende 18 maanden, zegt Mirkin, zullen hij en zijn collega's een eenvoudig diagnostisch apparaat in de dokterspraktijk bouwen dat in staat is om onmiddellijk ziekten of aanleg voor ziekten te diagnosticeren, afhankelijk van welke DNA-fragmenten op het apparaat worden gebruikt. Er zullen chips worden gebouwd voor reeksen ziekten, zegt Mirkin, waaronder seksueel overdraagbare aandoeningen, cystische fibrose en genetische aanleg voor darmkanker en bloedhypercoagulatie (bloed dat overmatig stolt).

De prototype-chip van Mirkin, in ontwikkeling door Nanosphere uit Northbrook, IL, een bedrijf dat hij mede heeft opgericht, gebruikt DNA dat tussen elektroden op een microchip is afgezet om interessante doelen te herkennen. Een monster wordt gemengd met die klittenbandgouddeeltjes en over de chip gewassen. Als het monster het beoogde DNA bevat, zeg maar genetisch materiaal van de syfilisbacterie, zal het DNA zich binden aan die kleverige gouddeeltjes en vervolgens aan de DNA-fragmenten tussen de elektroden. De gouddeeltjes sluiten het circuit en produceren een detecteerbaar signaal. Hoe meer elektrode-senserende elementen per chip, hoe meer ziekten - of genetische aanleg - kunnen worden opgespoord.

De groep van Mirkin past een proces aan dat bekend staat als dip-pen-nanolithografie om de mogelijkheid te krijgen om letterlijk DNA-moleculen af ​​te drukken tussen elektroden op slechts 200 nanometer van elkaar. Mirkin hoopt honderden, zelfs duizenden elektrodedetectie-elementen op één chip te kunnen verpakken.

Moleculen afdrukken Bij dip-pen-nanolithografie worden moleculen direct op een chipoppervlak geprint.

Arrays van uitkragingen (hierboven) zetten miljoenen, zelfs miljarden verschillende moleculen op een oppervlak neer; in gevallen waarin de geprinte moleculen binden aan specifieke genen of eiwitten, kan de chip worden gebruikt om ziekten te diagnosticeren of medicijnen te ontdekken. Elke cantilever of pen heeft aan het uiteinde een siliconenpunt (links) van slechts een paar atomen breed. Terwijl de punt zijdelings beweegt, worden moleculen die aan de zijkanten zijn bevestigd naar het oppervlak getrokken door een watermeniscus die zich onder de punt vormt. De verticale beweging van elke cantilever wordt thermisch gecontroleerd, zodat individuele pennen kunnen beginnen en stoppen met printen.

De technologie van Mirkin kan specifiek gericht DNA in een monster vinden. Maar als je een enkel stukje DNA zou kunnen pakken en de genen direct zou kunnen aflezen, zou je in theorie elk gen kunnen identificeren, of zelfs complexe genpatronen. Met behulp van hulpmiddelen die zijn aangepast aan de fabricage van halfgeleiders, bouwden natuurkundige Harold Craighead van Cornell's Center for Nanobiotechnology en zijn voormalige postdoc Stephen Turner een siliciumchip met kleine kanaaltjes, elk 50 nanometer breed en diep (zien DNA-pijpleiding , onderstaand) . Het kanaal is zo klein dat een enkele DNA-streng er nauwelijks doorheen kan persen - en dat is precies het punt. Een elektrisch veld zorgt ervoor dat de normaal opgerolde bal van DNA tegen het kanaal botst, zich afwikkelt en zich een weg naar beneden baant.

Eenmaal gepakt, moet het DNA worden afgelezen om bijvoorbeeld te zien of het een specifieke sequentie bevat. Om een ​​sequentie leesbaar te maken, voegen onderzoekers vooraf fluorescent gelabelde DNA-probes toe aan het monster; de probes binden aan de doelsequenties. Terwijl elk DNA-molecuul zich een weg door het kanaal baant, identificeert een optische detector de voorbijgaande fluorescerende labels. We behandelen het DNA alsof het een opnamemedium is, zegt Turner, die nu president is van Nanofluidics, een startup die de Cornell-technologie probeert te commercialiseren. En net als een cassettespeler spelen we het DNA af. Terwijl de Cornell-onderzoekers momenteel een externe optische microscoop gebruiken om de band te lezen, hopen ze met optische vezels een optische lezer direct op de chip te bouwen. Turner verwacht binnen enkele jaren een werkend apparaat te hebben.

Omdat de gereedschappen voor het maken van deze kleine kanalen afhankelijk zijn van dezelfde standaardapparatuur die wordt gebruikt om siliciumchips voor micro-elektronica te fabriceren, stelt Turner zich voor om nanofluïdische chips te maken met duizenden en zelfs miljoenen kanalen en optische vezels. Met dergelijke apparaten, zegt Turner, kunnen artsen op een dag een druppel bloed van een patiënt nemen, het op de microchip laten vallen en snel het DNA in het monster scannen op genetische markers van ziekte. Het apparaat kan artsen ook helpen bij het kiezen van de juiste medicijnen voor de patiënt.

DNA-pijpleiding

Om een ​​bepaalde sequentie op een DNA-streng te identificeren, mengen onderzoekers het DNA eerst met fluorescerende sondes die zich aan die sequentie hechten. Vervolgens trekt een elektrisch veld op een microchip (hierboven) DNA door een kanaal van 50 nanometer breed. Een ingebouwde optische lezer detecteert eventuele aangesloten sondes en identificeert de sequentie.

DNA-controle

In het huwelijk tussen nano-elektronica en biologie, is de meest extreme visie het rechtstreeks aanbrengen van elektronische gadgets op moleculen. Om te laten zien hoe dit zou kunnen werken - en waarom het nuttig zou kunnen zijn - heeft een team van MIT's Media Lab, geleid door natuurkundige Joseph Jacobson en biomedisch ingenieur Shuguang Zhang, gouddeeltjes, elk met een diameter van slechts 1,4 nanometer, op een stuk DNA aangebracht. Elk gouddeeltje diende als een kleine antenne. De onderzoekers stelden het DNA vervolgens bloot aan radiofrequente magnetische velden, waardoor de deeltjes opwarmden en het dubbelstrengs DNA in twee strengen brak. Toen ze het magnetische veld verwijderden, kwamen de strengen onmiddellijk weer bij elkaar. Nu hebben we een zeer krachtige en nuttige tool die dingen op moleculair niveau kan controleren, zegt Zhang. Tot nu toe zijn er geen tools die dit kunnen doen. Het is zeer waardevol om één individueel molecuul in een menigte moleculen te kunnen beheersen.

Die waarde, voegt postdoc Kimberly Hamad-Schifferli eraan toe, komt grotendeels voort uit het potentiële vermogen om genen aan en uit te zetten. Om dat te doen, konden de MIT-onderzoekers stukjes DNA aan gouddeeltjes hechten. Wanneer ze aan een DNA-monster worden toegevoegd, zouden de fragmenten binden aan complementaire gensequenties, waardoor de activiteit van die genen wordt geblokkeerd en ze effectief worden uitgeschakeld. Het toepassen van een magnetisch veld zou dan de gouddeeltjes verwarmen, waardoor hun gehechte DNA-fragmenten losraken, in feite de genen weer aanzetten. Zo'n tool zou farmaceutische onderzoekers een manier kunnen geven om de effecten van potentiële medicijnen te simuleren, die ook genen aan- en uitzetten. MIT heeft onlangs de technologie in licentie gegeven aan een biotech-startup, Waltham, MA-gebaseerde engeneOS.

Hoewel het op afstand besturen van DNA misschien meer klinkt als een salontruc dan als iets dat uw arts zou kunnen gebruiken, tonen dergelijke experimenten aan dat nano-elektronica op krachtige manieren kan interageren met biologie. Materialen zoals nanodraden en nanobuisjes, waar de afgelopen jaren uitgebreid onderzoek naar is gedaan door natuurkundigen en scheikundigen, zijn nu in handen van biomedische ingenieurs zoals MIT's Zhang - met enorme implicaties voor alles, van het ontdekken van medicijnen tot de diagnose van ziekten zoals prostaatkanker. Hoewel het moeilijk is om winnaars te voorspellen tussen deze vele technologieën, zegt Berkeley's Alivisatos, bijvoorbeeld, ik denk dat deze dingen allemaal concurrerende niches zullen vinden.

Snelle, goedkope micro-elektronica zorgde voor een revolutie in de wereld van computer- en informatietechnologie. Of nano-elektronica een revolutie teweeg kan brengen in de geneeskunde, blijft onzeker. Maar de kloof tussen elektronica en biologie wordt snel kleiner, en biomedische onderzoekers en zelfs artsen zullen binnenkort hulpmiddelen hebben om de basismoleculen van het leven te onderzoeken op manieren die een paar jaar geleden nog fantasie leken.

Sensing Succes
Sommige bedrijven in nanobiotech

Bedrijf	Technologie Bron	Strategie
Agilent Technologies (Palo Alto, Californië)	Harvard universiteit	Materialen met poriën van nanogrootte voor het analyseren van DNA
engeneOS (Waltham, Massachusetts)	MET	Gouden nanodeeltjes voor afstandsbediening van biologische moleculen
Moleculaire nanosystemen (Palo Alto, Californië)	Stanford universiteit	Koolstofnanobuisjes voor het detecteren van biologische moleculen
Nanofluïdica (Ithaca, NY)	Cornell universiteit	Chips met kanalen op nanoschaal voor het analyseren van DNA
NanoInkt (Chicago, Illinois)	Noordwestelijke Universiteit	Dip-pen nanolithografie voor het ontwerpen van biologische moleculen en structuren
nanosfeer (Northbrook, IL)	Noordwestelijke Universiteit	Elektrode/gouden nanodeeltjesdetectoren voor het detecteren van DNA en pathogenen
Nanosys (Palo Alto, Californië)	Harvard universiteit	Nanodraden voor het detecteren van biologische moleculen
SurroMed (Mountain View, CA)	Staatsuniversiteit van Pennsylvania	Nanobarcodes voor het labelen van biologische moleculen
Amerikaanse genomica (Woburn, Massachusetts)	Amerikaanse genomica	Nanokristallijn rooster voor het analyseren van DNA

zich verstoppen