Industrielle Fertigung
Industrielles Internet der Dinge | Industrielle Materialien | Gerätewartung und Reparatur | Industrielle Programmierung |
home  MfgRobots >> Industrielle Fertigung >  >> Industrial materials >> Nanomaterialien

Beschleunigung der Früherkennung von Krankheiten mit Nanobiotechnologie

Stellen Sie sich folgendes Szenario vor:  Jährliche körperliche Untersuchungen werden durch einen kostengünstigen Heimdiagnostik-Chip ergänzt, mit dem Sie Ihren Gesundheitszustand mit nur einer einfachen Urinprobe regelmäßig überwachen können. Obwohl Sie äußerlich bei guter Gesundheit erscheinen, zeigt das Gerät eine Schwankung Ihres Biomarkerprofils, was auf das mögliche Auftreten einer Krebsentwicklung im Frühstadium oder das Vorhandensein eines Virus hinweist.

Diagnosegeräte wie ein Schwangerschaftstest für zu Hause gibt es seit den 1970er Jahren. Es revolutionierte die Fähigkeit einer Frau, herauszufinden, ob sie schwanger war, ohne auf einen Arzttermin warten zu müssen, um ihren Verdacht zu bestätigen. Der Test beruht auf dem Nachweis des Hormons humanes Choriongonadotropin, das im Urin vorhanden ist. Aber könnte der Nachweis von Krebs oder einem tödlichen Virus aus einer ähnlichen Art von Probe und Gerät so einfach und nicht-invasiv sein?

Der 2 cm x 2 cm große nanoDLD-Chip von IBM Research, montiert in einer mikrofluidischen Vorrichtung

In den letzten Jahren hat ein interdisziplinäres Team von IBM Research unter der Leitung von Dr. Joshua Smith, Forschungswissenschaftler und Meistererfinder, und Dr. Gustavo Stolovitzky, Programmdirektor von IBM Translational Systems Biology and Nanobiotechnology, diese Idee von Umrüstung der Siliziumtechnologie und deren Verwendung zur Abtrennung von Partikeln im Nanobereich wie den Elementen von Viren und Krebs.

Die Antwort liegt an der Schnittstelle zwischen Humanbiologie und Nanotechnologie. Zunächst benötigen Sie eine „flüssige Biopsie“, die aus Urin- oder Speichelproben gewonnen werden kann. Dann müssen die nanometerkleinen Biomoleküle für den nachgeschalteten Nachweis einer Krankheit getrennt werden, auch wenn ihre Anwesenheit physikalisch nicht nachweisbar ist. Die heutigen Trenntechniken erfordern teure Geräte, ein biochemisches Labor und geschulte Techniker, was regelmäßige Screenings unpraktisch macht. Aber ein chipbasierter Nanotechnologie-Ansatz könnte eine einfache und kostengünstige Möglichkeit bieten, es Ärzten zu ermöglichen, eine Krankheit möglicherweise sogar im Frühstadium zu erkennen und zu überwachen, lange bevor sich körperliche Symptome manifestieren und die Prognose für Behandlungsoptionen am positivsten ist. Es ist der heilige Gral für Mediziner:Behandeln Sie die Menschen vor sie werden chronisch krank.

Der große Vorteil des Teams liegt in der Kombination modernster Nanotechnologie und Herstellungstechniken mit dem Fachwissen der Computerbiologie. Diese starke Synergie ist in anderen Forschungslabors schwer zu erreichen.

Kennen Sie Ihre Biopartikel

Die Trennung von Biopartikeln ist keineswegs ein neues Konzept, aber in ihren neuesten Experimenten ist das Team von Smith und Stolovitzky das erste, das erfolgreich nanoskalige Biomoleküle getrennt hat – insbesondere Exosomen (von Zellen abgeleitete Vesikel, die in Körperflüssigkeiten gefunden werden, die genetische Fracht enthalten, die von der Mutterzelle freigesetzt wird). bis zu einem Durchmesser von nur 20 nm, etwa 1/5.000stel eines menschlichen Haares. In dieser Größenordnung kann eine Vielzahl wichtiger Biopartikel abgetrennt werden, darunter die oben genannten Exosomen, DNA, Viren und Proteinkomplexe, die möglicherweise den frühen Beginn eines Krankheitszustands, die Existenz eines Virus kurz nach der Exposition signalisieren oder verwendet werden können, um den Krankheitsverlauf überwachen.

Mit einer Technologie namens nanoskalige deterministische seitliche Verschiebung oder nanoDLD kann eine flüssige Probe in einem kontinuierlichen Fluss durch einen speziell mit einem asymmetrischen Säulenarray entwickelten Siliziumchip geleitet werden. Dieses Array ermöglicht es dem System, einen mikroskopischen Wasserfall von Partikeln zu sortieren und Partikel nach Größe bis hin zu einer Auflösung von mehreren zehn Nanometern zu trennen. Die Trennung erfolgt, wenn sich kleinere Partikel in einer Zick-Zack-Bewegung in Richtung der Flüssigkeit bewegen, während größere Partikel entlang der Richtung der Säulenasymmetrie durch die Anordnung stoßen, wie LKW-Fahrer, die auf einer Autobahn auf die LKW-Spur gezwungen werden, was Materialien unterschiedlicher Größe ermöglicht zur nachgeschalteten Erkennung oder Analyse zu isolieren.

„Die gesellschaftliche Wirkung dieser Forschung besteht darin, dass sie es Ärzten ermöglichen könnte, Krebs frühzeitig zu erkennen … wenn es mehr Heilungsmöglichkeiten gibt“, sagte Stolovitzky. „Wir wollten, dass diese Forschung im Bereich Krebs und auch im Bereich des Nachweises von DNA und Viren wie Zika liegt. Alles läuft auf dasselbe hinaus:ein kleines und erschwingliches Diagnosegerät zu haben, das kleinste Mengen von Biomarker-Partikeln erkennen kann, die Ärzten etwas über die Gesundheit einer Person sagen.“

Skala der Biologie vom Menschen bis zu Atomen und die neuen nanoskaligen Bereiche, die das nanoDLD-Gerät von IBM Research erreichen kann [vollständige Infografik]

Smith fügte hinzu:„Die Möglichkeit für Ärzte, das biologische Profil einer Person auf kostengünstige und nicht-invasive Weise regelmäßig zu überprüfen, hat das Potenzial, eine neue Ära der präventiven einzuläuten Gesundheitsversorgung und verbessern unser Verständnis der Faktoren, die zum Fortschreiten der Krankheit beitragen.“

Mit Exosomen Pionierarbeit in der Präventivmedizin

Im Rahmen der laufenden Entwicklung dieser Technologie arbeitet IBM Research mit einem Team des Mount Sinai Health System unter der Leitung von Carlos Cordon-Cardo, MD, PhD, Vorsitzender der Abteilung für Pathologie am Mount Sinai Health System und Professor . zusammen für Pathologie, Genetik und Genomwissenschaften sowie Onkologie an der Icahn School of Medicine. Die Zusammenarbeit vereint die Fachkompetenz des Mount Sinai in den Bereichen Krebs und Pathologie, während IBM Research seine Erfahrung in der Bioinformatik und seine neueste nanoskalige Trenntechnologie einbringt.

Im Kampf gegen Krebs werden Exosomen zunehmend als nützliche Biomarker für die Diagnose und Prognose bösartiger Tumoren angesehen. Exosomen werden in leicht zugänglichen Körperflüssigkeiten wie Blut und Urin freigesetzt und stellen ein wertvolles biomedizinisches Werkzeug dar, da sie den Ursprung einer Krebserkrankung aufdecken können.

„Wir haben festgestellt, dass Zellen mit sich selbst sprechen, indem sie Botenstoffe senden. Einige dieser Botenstoffe werden in verschiedenen kleinen Vesikel oder Exosomen gespeichert und übertragen. Wir haben gelernt, dass in diesen Hüllen viele kritische Informationen zu finden sind, einschließlich solcher, die von Proteinen kodiert werden, oder sogar die Botenstoffe unserer eigenen Zelle in Form von DNA-Genfragmenten und RNA-Molekülen“, sagte Cordon-Cardo.

Cordon-Cardo ist motiviert durch die Möglichkeit, die in Exosomen enthaltenen Informationen zu nutzen, um Krankheiten vorzubeugen.

„Heute verfolgen wir ‚Gesundheit‘ nicht im Rahmen seiner gründlichen Definition. Heute führen wir im Wesentlichen das durch, was wir als „Krankenpflege“ definieren können , aber nicht wir selbst. Oft liegt es daran, dass wir befürchten, dass etwas nicht stimmt. Exosomen könnten bei der Früherkennung von Krankheiten helfen. Zu hinterfragen und abzufragen, welche Nachrichten zwischen den Organen gesendet werden, um vorherzusagen, was passieren könnte, wäre eine der interessantesten neuen Möglichkeiten, die Gesundheitsversorgung zu betrachten.“

Cordon-Cardo glaubt, dass Experten mit der IBM nanoDLD-Technologie die Nachrichten, die zwischen Zellen und Organen gesendet werden, effektiver und nicht-invasiv abhören können. Eine regelmäßigere Überwachung dieses interzellulären Gesprächs würde es Experten ermöglichen, als virtuelle Begleitperson zu fungieren und sorgfältig zu beobachten, bis sich entweder der Zustand umgekehrt hat und der Patient in einen gesunden Zustand zurückgekehrt ist oder Ärzte entscheiden könnten, dass etwas Invasiveres gerechtfertigt ist .

Elektronenmikroskopische Aufnahme von Exosomen auf einer Oberfläche.

„Wenn wir der Krankheit voraus sind, können wir sie normalerweise gut bekämpfen; aber wenn die Krankheit vor uns liegt, ist der Weg meist viel beschwerlicher. Eine der wichtigen Entwicklungen, die wir in dieser Zusammenarbeit anstreben, besteht darin, die Grundlagen für die Identifizierung molekularer Signaturen zu schaffen, die sehr früh vorhanden sein können“, sagte er.

Test mit Prostatakrebs

IBM Research und Mount Sinai planen, die nanoDLD-Technologie bei Prostatakrebs zu testen, der häufigsten Krebserkrankung bei Männern in den USA. Bei Prostatakrebs empfehlen Ärzte Männern über 50 einen jährlichen Test auf ein Prostata-spezifisches Antigen (PSA) aus einer Blutprobe. Ein erhöhter PSA-Wert bedeutet jedoch nicht unbedingt, dass eine Person Prostatakrebs hat oder bekommen wird. Umgekehrt schließt ein nicht positiver PSA-Test auch nicht aus, dass eine Person Prostatakrebs bildet.

Die Hoffnung besteht darin, nach spezifischen, empfindlichen Biomarkern zu suchen, und Exosomen stellen heute eine neue Grenze dar, die Hinweise darauf bietet, ob eine Person Krebs hat.

„Mit Exosomen bekommt man einen Eindruck davon, was eine Krebszelle verarbeitet. Zellen stoßen ständig Exosomen ab. Wenn wir sie entdecken, können wir sehen, was sich darin befindet, ohne den Krebs zu berühren“, sagte Stolovitzky.

Derzeit befindet sich die Forschung noch in den Anfängen. Die neuesten wissenschaftlichen Ergebnisse des IBM Research Teams wurden heute in Nature Nanotechnology* veröffentlicht. Als Teil der nächsten Schritte hofft das Team, das Volumen und den Durchsatz dessen, was das Gerät verarbeiten kann, zu erhöhen und das Gerät so zu konstruieren, dass es Biopartikel mit einer Größe von weniger als 20 Nanometern trennen und sie so in den Bereich einzelner Proteine ​​bringen kann.

Sie planen auch, zu bestätigen, dass ihr Gerät in der Lage ist, die Arten von Biomarkern zu erkennen, die sie in den Exosomen von Prostatakrebspatienten erwarten würden, und werden weiterhin an der Entwicklung eines Prototyps für klinische Anwendungen arbeiten. Klinische Studien wären erforderlich, bevor ein Gerät auf den Markt kommen könnte. Aber so wie der Schwangerschaftstest das Spiel für werdende Frauen verändert hat, werden wir vielleicht eines Tages in der Lage sein, ein einfaches Point-of-Care-Gerät zu verwenden, das uns verräterische Anzeichen unserer Gesundheit gibt, bevor wir überhaupt Symptome bemerken.

Fußnote:

*Natur-Nanotechnologie: Nanoskalige Lateral Displacement Arrays zur Trennung von Exosomen und Kolloiden bis hinunter zu 20n, DOI:10.1038/NNANO.2016.134

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


Nanomaterialien

  1. Ein Leitfaden zum Beschleunigen von Anwendungen mit genau richtigen benutzerdefinierten RISC-V-Anweisungen
  2. Defense FPGA-Debüts mit Early Access
  3. Farmaid:Roboter zur Erkennung von Pflanzenkrankheiten
  4. BP verbindet sich mit Universitäten zur Erforschung technischer Werkstoffe und Korrosion
  5. Beschleunigung der Früherkennung von Krankheiten mit Nanobiotechnologie
  6. Beschleunigung der digitalen Transformation mit IoT-Daten dank Cisco und IBM
  7. Experimentelle Forschung zur Stabilität und natürlichen Konvektion von TiO2-Wasser-Nanofluid in Gehäusen mit unterschiedlichen Rotationswinkeln
  8. Ultrasensitiver Biosensor zum Nachweis von Vibrio cholerae-DNA mit Polystyrol-Co-Acrylsäure-Komposit-Nanosphären
  9. Life Science-Forschung kämpft mit einer veralteten Lieferkette
  10. Die 5 wichtigsten Gründe, warum eine frühzeitige Partnerschaft mit IT den Erfolg der Automatisierung vorantreibt