Tatoeage gemaakt van gouden nanodeeltjes zorgt voor een revolutie in medische diagnostiek

Het idee van implanteerbare sensoren die continu informatie doorgeven over vitale waarden en concentraties van stoffen of medicijnen in het lichaam, fascineert artsen en wetenschappers al lang. Dergelijke sensoren maken een constante monitoring van ziekteprogressie en therapeutisch succes mogelijk. Tot nu toe waren implanteerbare sensoren echter niet geschikt om permanent in het lichaam te blijven, maar moesten ze na enkele dagen of weken worden vervangen. Enerzijds is er het probleem van implantaatafstoting omdat het lichaam de sensor als een vreemd voorwerp herkent. Aan de andere kant is de kleur van de sensor, die wijst op concentratieveranderingen, tot nu toe onstabiel en vervaagd in de loop van de tijd. Wetenschappers van de Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) hebben een nieuw type implanteerbare sensor ontwikkeld die enkele maanden in het lichaam kan worden gebruikt. De sensor is gebaseerd op kleurstabiele gouden nanodeeltjes die zijn gemodificeerd met receptoren voor specifieke moleculen. De nanogold is ingebed in een kunstmatig polymeerweefsel en wordt onder de huid geïmplanteerd waar het veranderingen in geneesmiddelconcentraties meldt door de kleur te veranderen.

De onderzoeksgroep van professor Carsten Sӧnnichsen gebruikt al jaren gouden nanodeeltjes als sensoren om kleine hoeveelheden eiwitten in microscopisch kleine stroomcellen te detecteren. Gouden nanodeeltjes fungeren als kleine antennes voor licht. Ze absorberen en verspreiden het sterk en zien er daardoor kleurrijk uit. Ze reageren op veranderingen in hun omgeving door van kleur te veranderen. Het team van Sӧnnichsen heeft dit concept gebruikt voor geïmplanteerde medische detectie.

Om te voorkomen dat de kleine deeltjes wegzwemmen of worden afgebroken door immuuncellen, zijn ze ingebed in een poreuze hydrogel met een weefselachtige consistentie. Eenmaal onder de huid geïmplanteerd, groeien kleine bloedvaten en cellen in de poriën. De sensor is geïntegreerd in het weefsel en wordt niet als vreemd lichaam afgewezen. "Onze sensor is als een onzichtbare tatoeage, niet veel groter dan een cent en dunner dan een millimeter", zegt Sӧnnichsen. Omdat de gouden nanodeeltjes infrarood zijn, zijn ze niet zichtbaar voor het oog. Een speciaal soort meetapparaat kan hun kleur echter niet-invasief door de huid detecteren.

In hun onderzoek implanteerden de onderzoekers hun gouden nanodeeltjessensoren onder de huid van haarloze ratten. Kleurveranderingen in deze sensoren werden gevolgd na toediening van verschillende doses antibioticum. De medicijnmoleculen worden via de bloedbaan naar de sensor getransporteerd. Door zich te binden aan specifieke receptoren op het oppervlak van de gouden nanodeeltjes, veroorzaken ze kleurverandering die afhankelijk is van de geneesmiddelconcentratie. Dankzij de kleurstabiele gouden nanodeeltjes en de weefselintegrerende hydrogel bleek de sensor gedurende meerdere maanden mechanisch en optisch stabiel te blijven.

Gekleurde voorwerpen verbleken na verloop van tijd. Gouden nanodeeltjes bleken echter niet, maar behouden hun kleur permanent. Omdat ze gemakkelijk kunnen worden gecoat met verschillende receptoren, zijn ze een ideaal platform voor implanteerbare sensoren.

Dit concept is generaliseerbaar en heeft het potentieel om de levensduur van implanteerbare sensoren te verlengen. In de toekomst zouden implanteerbare sensoren op basis van gouden nanodeeltjes kunnen worden gebruikt om tegelijkertijd concentraties van verschillende biomarkers of medicijnen in het lichaam te observeren. Dergelijke sensoren kunnen worden toegepast bij de ontwikkeling van geneesmiddelen, medisch onderzoek of gepersonaliseerde geneeskunde, zoals de behandeling van chronische ziekten.