Написано AZoNano [19459

Инженеры из Университета Дьюка показали, что наноразмерные кубики серебра могут сделать диагностические тесты, основанные на флуоресценции, более легкими для чтения, сделав их более чем в 150 раз ярче. В сочетании с появляющейся диагностической платформой для оказания медицинской помощи, уже показанной, способной обнаруживать небольшие следы вирусов и других биомаркеров, этот подход может позволить сделать такие тесты гораздо более дешевыми и более распространенными.

Результаты появились в сети 6 мая в журнале Nano Letters .

Плазмоника – это научная область, которая захватывает энергию в петле обратной связи, называемой плазмоном, на поверхность нанокубусов серебра. Когда флуоресцентные молекулы зажаты между одним из этих нанокубов и металлической поверхностью, взаимодействие между их электромагнитными полями заставляет молекулы излучать свет гораздо более энергично. Майкен Миккельсен, Джеймс Н. и Элизабет Х. Бартон, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники в Duke, работает с ее лабораторией в Duke над созданием новых типов гиперспектральных камер и сверхбыстрых оптических сигналов с использованием плазмоники в течение почти десятилетия.

В то же время исследователи в лаборатории Ашутоша Чилкоти, заслуженного профессора биомедицинской инженерии Алана Л. Каганова, работали над автономным диагностическим тестом в месте оказания медицинской помощи, который может выявить следовые количества специфические биомаркеры из биомедицинских жидкостей, таких как кровь. Но поскольку в тестах используются флуоресцентные маркеры для указания на наличие биомаркеров, для слабого освещения едва позитивного теста требуется дорогое и громоздкое оборудование.

«Наши исследования уже показали, что плазмоника может увеличить яркость флуоресцентных молекул в десятки тысяч раз», – сказал Миккельсен. «Использование его для улучшения диагностических тестов, которые ограничены их флуоресценцией, было явно очень захватывающей идеей».

«Существует не так много примеров, когда люди использовали плазмон-усиленную флуоресценцию для диагностики в местах оказания медицинской помощи, и те немногие, которые существуют, еще не были внедрены в клиническую практику», – добавила Дарья Семеняк. , аспирант в лаборатории Чилкоти. «Нам потребовалось пару лет, но мы думаем, что разработали систему, которая может работать».

В новой статье исследователи из лаборатории Чилкоти строят свою сверхчувствительную диагностическую платформу под названием D4 Assay на тонкой золотой пленке, которая является предпочтительной инью по сравнению с ян нанокуба плазмонного серебра. Платформа начинается с тонкого слоя покрытия из полимерной кисти, которое не дает прилипать к поверхности золота, которую исследователи не хотят прилипать. Затем исследователи используют струйный принтер, чтобы прикрепить две группы молекул, приспособленных для фиксации к биомаркеру, который пытается обнаружить тест. Один набор постоянно прикреплен к золотой поверхности и захватывает одну часть биомаркера. Другой элемент смывают с поверхности, как только начинается тест, он прикрепляется к другому фрагменту биомаркера и мигает светом, указывая, что он нашел свою цель.

Через несколько минут, чтобы дать возможность протекать реакциям, остальная часть образца вымывается, оставляя после себя только молекулы, которым удалось найти совпадения их биомаркеров, плавающие как флуоресцентные маяки, привязанные к золотому дну.

«Реальное значение анализа – это покрытие полимерной кистью», сказал Чилкоти. «Полимерная щетка позволяет нам хранить все необходимые инструменты на чипе, сохраняя при этом простой дизайн».

Несмотря на то, что анализ D4 очень хорошо выявляет небольшие следы определенных биомаркеров, при наличии только следовых количеств флуоресцентные маяки могут быть трудно различимы. Задача Миккельсен и ее коллег состояла в том, чтобы разместить свои плазмонные нанокубусы серебра над маяками таким образом, чтобы они усиливали флуоресценцию маяков.

Но, как обычно, это было легче сказать, чем сделать.

«Расстояние между серебряными нанокубиками и золотой пленкой определяет, насколько ярче становится флуоресцентная молекула», сказала Даниела Крус, аспирант, работающая в лаборатории Миккельсена. «Наша задача заключалась в том, чтобы сделать полимерную кисть достаточно толстой, чтобы улавливать биомаркеры – и только биомаркеры, представляющие интерес, – но достаточно тонкой, чтобы усилить диагностическое освещение».

Исследователи предприняли два подхода к разгадке этой загадки Златовласка. Сначала они добавили электростатический слой, который связывается с молекулами-детекторами, несущими флуоресцентные белки, создавая своего рода «второй этаж», на котором серебряные нанокубики могли бы располагаться сверху. Они также пытались функционализировать нанокубики серебра, чтобы они могли прилипать непосредственно к отдельным молекулам детектора один на один.

В то время как оба подхода преуспели в увеличении количества света, излучаемого маяками, первый продемонстрировал лучшее улучшение, увеличив его флуоресценцию более чем в 150 раз. Однако этот метод также требует дополнительного шага создания «второго этажа», что добавляет еще одно препятствие для разработки способа сделать эту работу коммерческой диагностикой, а не только в лаборатории. И хотя флуоресценция не улучшилась так сильно при втором подходе, точность теста улучшилась.

«Создание микрожидкостных лабораторных устройств на основе чипа с использованием любого подхода потребовало бы времени и ресурсов, но теоретически они оба выполнимы», сказал Кассио Фонтес, аспирант лаборатории Chilkoti , «Вот к чему движется анализ D4»

И проект движется вперед. Ранее в этом году исследователи использовали предварительные результаты этого исследования, чтобы получить пятилетнюю награду R01 за исследования в размере 3,4 миллиона долларов от Национального института сердца, легких и крови. Сотрудники будут работать над оптимизацией этих улучшений флуоресценции, интегрируя лунки, микрофлюидные каналы и другие недорогие решения в одношаговое диагностическое устройство, которое может автоматически выполнять все эти этапы и считываться обычной камерой смартфона на низком уровне. Стоимость устройства.

«Одна из больших проблем в тестах на месте оказания медицинской помощи – это способность считывать результаты, которые обычно требуют очень дорогих детекторов», сказал Миккельсен. «Это является основным препятствием для проведения одноразовых тестов, позволяющих пациентам отслеживать хронические заболевания дома или для использования в условиях ограниченных ресурсов. Мы рассматриваем эту технологию не только как способ обойти это узкое место, но и как способ повысить точность и порог этих диагностических устройств. "

Это исследование было поддержано Национальным институтом здравоохранения (5R01-HL144928-02), Исследовательской корпорацией по продвижению науки, Командованием специальных операций США (W81XWH-16-C-0219), Исследовательской программой по борьбе с несчастными случаями. (JPC-6) (W81XWH-17-2-0045) и Национальный совет по улучшению высшего образования – CAPES (проект «Наука без границ»).

CITATION: «Сверхяркая флуоресцентная индикация струйного иммуноанализа с использованием струйной плазменной наногэпной полости». Даниэла Ф. Крус, Кассио М. Фонтес, Дарья Семеняк, Джани Хуан, Ангус Хакналл, Ашутош Чилкоти и Майкен Х. Миккельсен. Nano Letters 2020. DOI: 10.1021 / acs.nanolett.0c01051

Источник: https://www.duke.edu/