Früherkennung Von Krankheiten Revolutionieren Mit Nano-Skalen-Biotech

Stellen Sie sich eine Zukunft vor, in der routinemäßige jährliche Check-ups durch einen kosteneffektiven Heim-Diagnostik-Chip ergänzt werden. Durch Analyse einer einzelnen Urinprobe können Patienten ihre Baseline-Gesundheit kontinuierlich monitoren, und jede subtile Biomarker-Verschiebung – potenzielle frühe Krebs-Signale oder virale Infektion – kann prompt detektiert werden.

Point-of-Care-Tests, wie der Heim-Schwangerschaftstest der 1970er, haben persönliches Gesundheitsmonitoring transformiert. Diese Tests detektieren humanes Choriongonadotropin im Urin mit einem simplen Streifen und bieten sofortige Ergebnisse ohne Klinikbesuch. Dasselbe Prinzip kann auf weit komplexere Bedingungen erweitert werden, provided we can isolate the relevant nanoscale particles from body fluids.

IBM Research's 2 cm × 2 cm nanoDLD Chip montiert in mikrofluidischem Jig

Point-of-Care-Diagnostik Neuerfinden

Bei IBM Research hat ein cross-disziplinäres Team unter Leitung von Dr. Joshua Smith, Master Inventor und Research Scientist, und Dr. Gustavo Stolovitzky, Program Director of IBM Translational Systems Biology and Nanobiotechnology, Siliziumtechnologie für biomedizinischen Einsatz neu gedacht. Ihr Ziel: Nanopartikel – wie virale Komponenten und tumor-derivierte Vesikel – aus leicht zugänglichen Flüssigkeiten wie Urin oder Speichel zu trennen.

Aktuelle Trennmethoden fordern teure Ausrüstung, ein volles Labor und qualifizierte Techniker, was häufiges Screening unpraktisch macht. Eine chip-basierte Nanotech-Lösung könnte eine simple, erschwingliche und schnelle Alternative bieten, die Kliniker befähigt, Krankheiten sogar vor Symptombeginn zu detektieren.

nanoDLD: Der Motor Hinter Der Innovation

Mittels nanoskalen-deterministischem lateralem Displacement (nanoDLD) fließt eine Flüssigkeitsprobe durch einen Siliziumchip, gemustert mit asymmetrischem Säulenarray. Dieses Design sortiert Partikel nach Größe: kleinere Partikel zigzagen entlang des Flusses, während größere lateral verdrängt werden, analog zu Fahrzeugen, die auf einer Autobahn in die korrekte Spur gezwungen werden. Das Resultat ist eine kontinuierliche, größenaufgelöste Trennung bis zu wenigen zehn Nanometern.

Smith und Stolovitzkys Team isolierte erfolgreich Exosomen bis 20 nm – grob 1/5.000 eines menschlichen Haares – neben DNA, Viren und Proteinkomplexen. Diese winzigen Biopartikel können entscheidende Information über frühen Krankheitsbeginn, virale Exposition oder Krankheitsprogression tragen.

„Der gesellschaftliche Impact dieser Forschung ist, dass sie Ärzte befähigen könnte, Krebs früh zu detektieren… wenn mehr Heilungsmöglichkeiten bestehen“, sagte Stolovitzky. „Wir zielen darauf ab, ein kleines, erschwingliches Diagnostik-Tool zu schaffen, das minute Biomarker-Mengen detektieren kann, die Kliniker über Patientengesundheit informieren.“

Skala der Biologie vom Menschen zu Atomen und die neuen nanoskaligen Bereiche, die IBM Research's nanoDLD Device erreicht [volles Infografik]

Exosomen: Winzige Boten, Große Einsichten

In Kooperation mit dem Mount Sinai Health System, geleitet von Dr. Carlos Cordon-Cardo, ergänzt Mount Sinais Expertise in Krebsopathologie IBMs Bioinformatik und Nanofluidik-Technologie. Exosomen – zellderivierte Vesikel in Blut und Urin – dienen als reiche Reservoire von Proteinen, DNA-Fragmenten und RNA und bieten einen nicht-invasiven Schnappschuss zellulärer Kommunikation.

„Zellen senden Botschaften via Exosomen, einkapselnd Proteine, DNA und RNA. Durch Decodieren dieser Umschläge können wir frühe Warnsignale von Krankheit gewinnen“, erklärte Cordon-Cardo. „Exosomen könnten zum Eckpfeiler präventiver Gesundheitsversorgung werden, indem sie Probleme identifizieren, bevor sie klinisch manifestieren.“

Mit dem nanoDLD-Chip können Kliniker „mithören“ auf interzelluläre Konversationen und Verschiebungen im exosomalen Content monitoren, die offener Pathologie vorausgehen. Regelmäßiges Monitoring könnte Krankheitsmanagement in ein proaktives statt reaktives Unterfangen transformieren.

Elektronenmikroskop-Aufnahme von Exosomen auf einer Oberfläche.

Prostatakrebs: Ein Fallbeispiel Für Früherkennung

Prostatakrebs bleibt der häufigste Krebs bei Männern in den USA. Aktuelles Screening basiert auf Prostata-spezifischem Antigen (PSA) Tests, die False Positives und Negatives produzieren können. Durch Analyse exosomaler Biomarker hofft die IBM–Mount Sinai Partnerschaft, Krankheit mit höherer Sensitivität und Spezifität zu identifizieren.

„Exosomen offenbaren, was eine Krebszelle verarbeitet, ohne den Tumor berühren zu müssen“, sagte Stolovitzky. „Durch Detektieren ihrer Präsenz und Inhalte können wir früh Einblicke in die Tumorbiologie gewinnen.“

Vom Labor Zum Patientenbett

Die jüngste Publikation des Teams in Nature Nanotechnology (DOI: 10.1038/NNANO.2016.134) detailiert nanoDLD-Chips Fähigkeit, Exosomen bis 20 nm zu trennen. Nächste Schritte umfassen Throughput-Steigerung, Chip-Verfeinerung für Partikel < 20 nm und Biomarker-Validierung in klinischen Proben. Einmal bewiesen, wird die Plattform zu einem klinischen-Grad Point-of-Care-Device evolvieren, das den Impact des Schwangerschaftstests auf Frauengesundheit spiegeln könnte.

Fußnote:

*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 (current affiliation: Arizona State University), Markus Brink (IBM Research), Robert Bruce (IBM Research), Robert H. Austin (Princeton University), Gustavo Stolovitzky (IBM Research), und Yann Astier (current affiliation: Roche Molecular Systems)