Quantitative measurement of insulin-like growth factor-1 in saliva using multi-walled carbon nanotubes- based immunosensor

Der Wachstumsbericht des Körpers

Stellen Sie sich Ihren Körper wie eine geschäftige Baustelle vor, auf der ständig neue Räume gebaut, Wände verstärkt und das Fundament gestreckt werden. Um dieses Projekt im Zeitplan zu halten, verlässt sich der Körper auf einen speziellen Bauleiter namens Insulin-ähnlicher Wachstumsfaktor-1, oder kurz IGF-1. Dieses Protein ist wie ein Master-Blaupausen-Manager; es sagt Ihren Knochen, wann sie länger wachsen sollen, und Ihren Muskeln, wann sie massiver werden sollen, besonders während der Teenagerjahre, wenn die Wachstumsschübe am dramatischsten sind. Ärzte und Kieferorthopäden (die Experten, die Zähne begradigen) sind sehr daran interessiert, diese Blaupause zu lesen, denn sie verrät ihnen genau, wie reif das Skelett einer Person ist. Dies hilft ihnen zu entscheiden, wann der perfekte Zeitpunkt für den Beginn einer Zahnspange ist, oder vorherzusagen, wie viel ein Kind noch wachsen wird.

Jahrzehntelang war der einzige Weg, diese Blaupause zu lesen, ein Team von Arbeitern zur Baustelle zu schicken, mit einer Nadel und einem Fläschchen, um Blut zu sammeln. Es ist schmerzhaft, erfordert einen Besuch im Labor und kann für Kinder beängstigend sein. Doch vor kurzem haben Wissenschaftler entdeckt, dass dieser gleiche „Bauleiter“ auch in Ihrem Speichel herumhängt. Betrachten Sie Speichel als einen nicht-invasiven, schmerzfreien Boten, der dieselben Neuigkeiten übermittelt wie das Blut, nur in einem viel kleineren, leichter zu sammelnden Paket. Die Herausforderung besteht jedoch darin, dass die Nachricht im Speichel oft schwach ist und mit viel anderem „Rauschen“ vermischt wird, was es alten Maschinen schwer macht, klar zuzuhören. Hier kommt ein neuer, hochtechnologischer Detektiv ins Spiel, der bereit ist, den Wachstumsgeheimnissen des Körpers zuzuhören, ohne einen einzigen Nadelstich.

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Das Papier: Ein winziger Detektiv in einem Tropfen Spucke

In dieser Studie hat ein Team von Forschern aus Malaysia und Serbien einen winzigen, super-sensiblen elektronischen Detektiven gebaut, der darauf ausgelegt ist, nach IGF-1 im Speichel zu lauschen. Sie nennen es einen Immunsensor, aber Sie können es sich wie eine hochtechnologische Angelrute vorstellen. Anstelle eines Hakens ist die Spitze der Angel mit einem speziellen Material namens mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren (MWCNTs) beschichtet. Diese Nanoröhren sind wie mikroskopisch kleine, superstarke Strohhalme, die hervorragend elektrischen Strom leiten können und somit eine Superautobahn für Signale bilden.

Die Forscher begannen damit, verschiedene Materialien zu testen, um zu sehen, welches die beste „Angelrute“ macht. Sie probierten die Verwendung von Graphenoxid (GO) und reduziertem Gossenoxid (rGO) aus, aber die MWCNTs waren die klaren Gewinner. Als sie diese testeten, ließen die MWCNTs den Strom viel freier fließen, was ein stärkeres Signal erzeugte – wie ein Radio, das perfekt auf einen Sender abgestimmt ist, während die anderen voller statischem Rauschen sind.

Es reichte jedoch nicht aus, nur das richtige Material zu haben; sie mussten auch herausfinden, wie viel davon genau zu verwenden ist. Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, einen Boden mit Teppich zu belegen. Wenn Sie zu wenig verwenden, ist der Boden fleckig. Wenn Sie zu viel verwenden, häuft sich der Teppich in unordentlichen Klumpen an, was das Gehen erschwert. Das Team fand heraus, dass eine Konzentration von 0,25 % (w/v) die „Goldlöckchen“-Zone war. Auf diesem Niveau bildeten die Nanoröhren ein perfektes, gleichmäßiges Netzwerk, das den besten elektrischen Fluss ermöglichte. Wenn sie mehr verwendeten, wie etwa 1 % (w/v), begannen die Nanoröhren zu verklumpen, was Verkehrsstaus verursachte, die das Signal verlangsamten.

Sobald sie die perfekte Oberfläche hatten, befestigten sie die „Haken“ ihrer Angelrute: spezielle Antikörper, die darauf programmiert sind, IGF-1 einzufangen. Wenn IGF-1 vorhanden ist, heftet es sich an diese Antikörper. Das ist der clevere Teil des Tricks: Wenn das IGF-1 den Antikörper fängt, wirkt es wie ein winziger Isolator, der den Stromfluss blockiert. Je mehr IGF-1 vorhanden ist, desto mehr sinkt das Signal. Durch die Messung, wie stark die Elektrizität abnimmt, kann der Sensor genau bestimmen, wie viel IGF-1 in der Probe enthalten ist.

Das Team testete seinen neuen Sensor mit zwei verschiedenen Dingen: einer Standard-Salzwasserlösung und einer künstlichen Version von menschlichem Speichel (künstlicher Speichel). Es ist wichtig anzumerken, dass sie dies noch nicht an echtem menschlichem Speichel von echten Menschen getestet haben. In dem Salzwasser konnte der Sensor IGF-1-Konzentrationen von so wenig wie 0,95 μg/mL nachweisen (dies wird als Nachweisgrenze bezeichnet). Im komplexeren künstlichen Speichel war er fast genauso gut und konnte bis zu 0,99 μg/mL nachweisen. Der Sensor arbeitete zuverlässig in einem Bereich von 1 bis 100 μg/mL und konnte den gesamten Test in nur 30 Minuten mit einem winzigen Tropfen Flüssigkeit von nur 10 μL durchführen.

Die Forscher prüften auch, ob ihr Sensor robust ist. Sie fanden heraus, dass er mindestens drei Tage lang im Kühlschrank gelagert werden konnte, ohne seine Funktionsfähigkeit zu verlieren, und dass er wiederholt getestet werden konnte, ohne kaputtzugehen. Sie verglichen ihre neue, schnelle und schmerzlose Methode mit der alten, Standardmethode des Testens (genannt ELISA), die normalerweise fast 5 Stunden dauert und eine viel größere Blutprobe erfordert. Während der neue Sensor noch nicht ganz so empfindlich ist wie die teuren Labormaschinen (die Mengen im Nanogramm-Bereich nachweisen können), ist er viel schneller, günstiger und schmerzfrei.

Die Autoren weisen vorsichtig auf eine kritische Einschränkung hin: Die Nachweisgrenze des Sensors ist derzeit zu hoch für die natürlichen Mengen an IGF-1, die in echtem menschlichem Speichel vorkommen, welche in viel kleineren Mengen gemessen werden (Nanogramm pro Milliliter). Aus diesem Grund kann der Sensor die Wachstumshormonwerte im Mund eines echten Menschen noch nicht genau messen. Dennoch beweist diese Arbeit, dass ein schmerzloser, schneller und tragbarer Weg, unsere Wachstumshormone zu überprüfen, möglich ist. Es ist, als würde man ein komplexes, schmerzhaftes medizinisches Verfahren in ein schnelles, freundliches Gespräch mit einem hochtechnologischen Detektiven verwandeln, der in einem Tropfen Spucke lebt – aber der Detektiv benötigt noch etwas mehr Training, um das leise Flüstern des echten Speichels zu hören.