Revolutioneren Vroegtijdige Ziekte Detectie met Nano-Schaal Biotech

Envision een toekomst waar routinematige jaarlijkse check-ups gecomplementeerd worden door een kosteneffectieve thuis diagnostische chip. Door een enkele urine monster te analyseren, kunnen patiënten continu hun baseline gezondheid monitoren, en elke subtiele biomarker verschuiving - potentiële vroege kankersignalen of virale infectie - kan prompt gedetecteerd worden.

Point-of-care tests, zoals de thuis zwangerschapstest die in de jaren '70 ontstond, hebben persoonlijke gezondheidsmonitoring getransformeerd. Deze tests detecteren humaan chorionisch gonadotropine in urine met een simpele strip, biedend instant resultaten zonder kliniek bezoek. Hetzelfde principe kan uitgebreid worden om veel complexere condities te detecteren, mits we de relevante nanoscale deeltjes uit lichaamsvloeistoffen kunnen isoleren.

IBM Research's 2cm × 2cm nanoDLD chip gemonteerd in een microfluidische jig

Heruitvinden Point-of-Care Diagnostiek

Bij IBM Research heeft een cross-disciplinair team geleid door Dr. Joshua Smith, een master uitvinder en research wetenschapper, en Dr. Gustavo Stolovitzky, programma directeur van IBM Translational Systems Biology en Nanobiotechnology, silicium technologie herbekeken voor biomedisch gebruik. Hun doel: nanoscale deeltjes - zoals virale componenten en tumor-afgeleide vesikels - te scheiden van gemakkelijk verkrijgbare vloeistoffen zoals urine of speeksel.

Huidige scheidingmethoden vereisen dure apparatuur, een volledig laboratorium en geschoolde technici, wat frequente screening impractisch maakt. Een chip-gebaseerde nanotech oplossing zou een simpele, betaalbare en snelle alternatief kunnen bieden die clinici in staat stelt ziekte te detecteren nog voordat symptomen ontstaan.

nanoDLD: De Motor Achter de Innovatie

Gebruikmakend van nanoscale deterministische laterale verplaatsing (nanoDLD), stroomt een vloeistofmonster door een silicium chip gepatroneerd met een asymmetrische pilaar array. Dit ontwerp sorteert deeltjes op grootte: kleinere deeltjes zig-zag langs de stroom, terwijl grotere lateraal verplaatst worden, analoog aan voertuigen gedwongen in de juiste baan op een snelweg. Het resultaat is een continue, grootte-aufgeloste scheiding tot tientallen nanometers.

Smith en Stolovitzky's team heeft met succes exosomen geïsoleerd zo klein als 20nm - ruwweg 1/5.000ste van een menselijk haar - naast DNA, virussen en proteïne complexen. Deze kleine biodeeltjes kunnen cruciale informatie dragen over vroege ziekte onset, virale blootstelling of ziekteprogressie.

"De maatschappelijke impact van dit onderzoek is dat het artsen in staat kan stellen kanker vroeg te detecteren... wanneer er meer mogelijkheden voor genezing zijn," zei Stolovitzky. "Wij streven ernaar een kleine, betaalbare diagnostische tool te creëren capabel van het detecteren van minuut biomarker hoeveelheden die clinici informeren over een patiënts gezondheid."

Schaal van biologie van mens tot atomen en de nieuwe nanoscale bereiken die IBM Research's nanoDLD apparaat kan bereiken [volledige infographic]

Exosomen: Kleine Boodschappers, Grote Inzichten

In samenwerking met het Mount Sinai Health System, geleid door Dr. Carlos Cordon-Cardo, complementeert Mount Sinai's expertise in kankerpathologie IBM's bioinformatics en nanofluidische technologie. Exosomen - cel-afgeleide vesikels gevonden in bloed en urine - dienen als rijke reservoirs van proteïnen, DNA fragmenten en RNA, biedend een non-invasieve snapshot van cellulaire communicatie.

"Cellen sturen berichten via exosomen, encapsulerend proteïnen, DNA en RNA. Door deze enveloppen te decoderen, kunnen we vroege waarschuwingssignalen van ziekte verkrijgen," legde Cordon-Cardo uit. "Exosomen kunnen de hoeksteen worden van preventieve gezondheidszorg, ons in staat stellend problemen te identificeren voordat ze klinisch manifesteren."

Met de nanoDLD chip kunnen clinici "belauschteren" op intercellulaire gesprekken, monitorend verschuivingen in exosomale inhoud die overt pathologie voorafgaan. Reguliere monitoring zou ziektebeheer kunnen transformeren in een proactieve, in plaats van reactieve, onderneming.

Electronenmicroscopisch beeld van exosomen op een oppervlak.

Prostaatkanker: Een Case Study in Vroegtijdige Detectie

Prostaatkanker blijft de meest voorkomende kanker onder mannen in de Verenigde Staten. Huidige screening steunt op prostate-specifiek antigene (PSA) tests, die false positiven en negatieven kunnen produceren. Door exosomale biomarkers te analyseren, hoopt de IBM-Mount Sinai samenwerking ziekte te identificeren met hogere sensitiviteit en specificiteit.

"Exosomen onthullen wat een kankercel verwerkt zonder de tumor aan te raken," zei Stolovitzky. "Door hun aanwezigheid en inhoud te detecteren, kunnen we inzicht krijgen in de tumor's biologie vroegtijdig."

Van Bank naar Bedside

Het team's recente publicatie in Nature Nanotechnology (DOI: 10.1038/NNANO.2016.134) detailt de nanoDLD chip's vermogen om exosomen tot 20nm te scheiden. Volgende stappen omvatten doorvoer verhogen, de chip verfijnen om deeltjes kleiner dan 20nm te vangen, en biomarkers valideren in klinische monsters. Eenmaal bewezen, zal het platform evolueren naar een klinische-graag, point-of-care apparaat dat de impact van de zwangerschapstest op vrouwengesondheid kan spiegelen.

Voetnoot:

*Nature Nanotechnology: Nanoscale Lateral Displacement Arrays for Separation of Exosomes and Colloids Down to 20 nm, DOI: 10.1038/NNANO.2016.134

Benjamin H. Wunsch (IBM Research), Joshua T. Smith (IBM Research), Stacey M. Gifford (IBM Research), Chao Wang (huidige affiliatie: Arizona State University), Markus Brink (IBM Research), Robert Bruce (IBM Research), Robert H. Austin (Princeton University), Gustavo Stolovitzky (IBM Research), en Yann Astier (huidige affiliatie: Roche Molecular Systems)