An integrated photonic crystal and magnetic bead aggregation technique to enhancement fluorescence on magnetic bead surface for low bead number detection

In de stille hoekjes van de moderne geneeskunde is het vermogen om een enkel molecuul van een ziekteken in een enorme oceaan van bloed te vinden, het verschil tussen het vroegtijdig opsporen van een ziekte en het ontdekken ervan wanneer het te laat is. Decennialang hebben wetenschappers vertrouwd op een methode genaamd een immuno-assay, wat in essentie een zoek-en-vangspel is. Ze gebruiken minuscule, gespecialiseerde deeltjes die fungeren als magneten voor specifieke eiwitten, zoals die door het lichaam worden vrijgegeven wanneer het een infectie of kanker bestrijdt. Zodra deze deeltjes het doelwit-eiwit vangen, worden ze gemerkt met een lichtgevende chemische stof die oplicht onder een microscoop, waardoor de aanwezigheid van het eiwit wordt onthuld. Echter, wanneer de hoeveelheid van het ziekte-eiwit ongelooflijk klein is—zo klein dat het zich in het bereik van picogrammen bevindt, oftewel biljardsten van een gram—is de gloed vaak te zwak om te zien, waardoor de test blind blijft voor de vroegste tekenen van ziekte. Om dit op te lossen, hebben onderzoekers zich tot twee verschillende hulpmiddelen gewend: magnetische krachten om de deeltjes in een nauwe cluster te verzamelen, en een speciaal oppervlak dat het licht dat zij uitzenden kan versterken.

Een team van onderzoekers aan de National Chiao Tung Universiteit in Taiwan heeft deze twee benaderingen gecombineerd in één geïntegreerd systeem, ontworpen om het onzichtbare zichtbaar te maken. Hun werk richt zich op het detecteren van muis-interleukine-1 bèta, een eiwit dat dient als een marker voor ontsteking, met behulp van een techniek die zij PCMAFLUID noemen. Deze methode brengt een magnetische bead-aggregatietechniek en een fotonisch kristaloppervlak samen. De magnetische beads zijn minuscule bolletjes, zes micrometer in diameter, gecoat met antilichamen die het doelwit-eiwit grijpen. Wanneer een magneet in de buurt van de vloeistof met deze beads wordt geplaatst, trekt deze ze naar elkaar toe in een dichte stapel, waardoor het signaal wordt geconcentreerd. Het tweede deel van het systeem is een fotonisch kristal, een oppervlak dat is voorzien van microscopische groeven. Dit patroon is zo ontworpen dat het resoneert met specifieke golflengten van licht, vergelijkbaar met hoe een gitaarsnaar trilt op een specifieke toon. Wanneer het licht dat de beads doet oplichten dit gepatroneerde oppervlak raakt, versterkt het oppervlak het licht, waardoor de beads veel helderder schijnen dan ze op een normale glazen plaat zouden doen.

De onderzoekers testten dit systeem door twee verschillende opstellingen te creëren om te zien welke beter werkte. In de eerste opstelling gebruikten ze een standaard glazen plaat, die diende als controle. In de tweede gebruikten ze een plaat gemaakt met het fotonische kristaloppervlak. Ze introduceerden monsters die het muis IL1β-eiwit bevatten in verschillende concentraties, variërend van hoge niveaus tot de extreem lage niveaus die voorkomen bij ziekte in een vroeg stadium. Vervolgens gebruikten ze een magneet om de magnetische beads op het oppervlak van de plaat te trekken en maten ze de helderheid van de resulterende gloed met een op maat gemaakte microscoop. De resultaten toonden aan dat het simpelweg samenbrengen van de beads met een magneet een aanzienlijk verschil maakte. Op de standaard glazen plaat verhoogde het samenbrengen van de beads de helderheid van het signaal met ongeveer zeven tot negen keer vergeleken met wanneer de beads verspreid waren. Dit bevestigde dat het concentreren van de beads de microscoop helpt hen duidelijker te zien.

De echte doorbraak kwam echter toen ze de glazen plaat vergeleken met het fotonische kristaloppervlak. Wanneer de beads werden verzameld op het fotonische kristal, was het versterkingseffect veel dramatischer. De onderzoekers ontdekten dat de combinatie van de magnetische aantrekkingskracht en het lichtversterkende oppervlak hen in staat stelde om het eiwit te detecteren bij concentraties zo laag als 0,0001 picogram per milliliter. In contrast hiermee verdween het signaal voor het eiwit op de standaard glazen plaat in feite zodra de concentratie daalde naar 0,01 picogram per milliliter. Dit betekent dat de nieuwe techniek het eiwit kon detecteren op een niveau dat honderd keer lager is dan de standaardmethode. Wanneer het team de signaalsterkte bij deze detectiegrenzen analyseerde, berekenden zij dat de fotonische kristaltechniek het fluorescentiesignaal met meer dan duizendmaal versterkte vergeleken met de glazen plaat alleen.

Om precies te begrijpen hoe krachtig dit was, zoomden de onderzoekers in op een enkele magnetische bead. Ze maten het licht dat van één bead op de glazen plaat kwam en vergeleken dit met één bead op het fotonische kristal. De bead op het speciale oppervlak was elf keer helderder dan die op de glazen plaat. Dit bewees dat de versterking niet alleen het resultaat was van het hebben van meer beads op één plek, maar dat het oppervlak zelf elke individuele bead intenser liet gloeien. De studie merkte ook op dat hoewel de magnetische aggregatie op alle niveaus hielp, het fotonische kristal essentieel was voor het zien van de laagste concentraties. Zonder het kristal ging het signaal van de kleinste hoeveelheden eiwit verloren in de achtergrondruis.

De onderzoekers concludeerden dat zij, door de magnetische bead-aggregatie te integreren met het fotonische kristaloppervlak, erin zijn geslaagd een instrument te creëren dat de grenzen van detectie ver voorbij wat voorheen mogelijk was kan verleggen. Deze techniek maakt het bestaande signaal niet alleen luider; het verandert fundamenteel de gevoeligheid van de test, waardoor detectie van ziektebiomarkers mogelijk wordt op niveaus die voorheen ondetecteerbaar waren. Hoewel de studie werd uitgevoerd met muis-eiwitten, suggereren de auteurs dat deze aanpak kan worden aangepast voor het detecteren van menselijke ziektebiomarkers en kankertekens in hun vroegste stadia. Door de zwakste gloed zichtbaar te maken, biedt deze methode een nieuw pad voor het diagnosticeren van ziekten voordat ze de kans krijgen om te groeien, waarbij een microscopisch signaal wordt omgezet in een duidelijk, meetbaar antwoord.