Nieuwe methode meet individuele moleculen in bloed

RUG onderzoekers onder leiding van chemisch bioloog Giovanni Maglia hebben een nanoporie systeem ontwikkeld dat verschillende stofwisselingsproducten tegelijkertijd kan meten binnen enkele seconden. De methode werkt met allerlei lichaamsvloeistoffen. Het elektrische signaal dat de meting produceert is eenvoudig te verwerken via diagnostische apparatuur die thuis gebruikt kan worden. De methode is beschreven in het tijdschrift Nature Communications op 5 oktober.

Het meten van allerlei stofwisselingsproducten in het laboratorium is doorgaans ingewikkeld en tijdrovend. Een continue meting in een patiënt is dan ook niet mogelijk. Maar er is een veelbelovend alternatief voor standaard biochemische technieken: het gebruik van de ionenstroom die door nanoporiën gaat. Deze nanoporiën kennen al een toepassing in draagbare apparatuur die de DNA volgorde kan aflezen. ‘Maar het is nog niet mogelijk om deze nanoporiën te gebruiken om kleine moleculen te identificeren in een biologisch monster waarin allerlei verschillende verbindingen zitten’, zegt Maglia.

Evolutie

Een jaar geleden ⁽¹⁾ liet Maglai zien hoe hij met behulp van nanoporiën een soort ‘vingerafdruk’ kon meten van eiwitten of peptiden. Het lukte zelfs om kleine eiwitten die maar in één aminozuur verschillen van elkaar te onderscheiden. Nu heeft hij dit systeem aangepast om kleine moleculen te meten in biologische monsters. Hij gebruikt hiervoor een vrij grote cilindrische porie met daarbij een substraat bindend eiwit. ‘Bacteriën scheiden honderden van dit soort eiwitten uit, die elk aan een specifiek substraat binden waarna ze de cel binnengehaald worden. De binding van deze eiwitten is heel specifiek dankzij miljarden jaren evolutie.’

Maglia modificeerde substraat bindende eiwitten zodat ze in de nanoporie passen. Wanneer ze dan aan hun substraat binden, verandert de vorm van het eiwit. Dit verandert op zijn beurt weer de elekrische stroom die door de porie gaat. ‘We gebruiken het eiwit als een soort omvormer die individuele moleculen specifiek kan herkennen’, legt Maglia uit. De poriën zijn te gebruiken in een standaard apparaatje dat de stroom door honderden verschillende poriën tegelijkertijd kan meten. Hiervoor werkt hij samen met Oxford Nanopores, een Brits bedrijf dat wereldleider is in deze technologie.

Bloed, zweet, urine

Door twee verschillende eiwitten te gebruiken, die specifiek binden aan glucose of het aminozuur asparagine, kon Maglia beide verbindingen tegelijkertijd meten in een druppel bloed, en dat binnen een minuut. ‘Er zijn al glucosemeters beschikbaar die ‘real time’ kunnen meten, maar een meting van asparagine kost doorgaans een paar dagen.’ De methode werkt met bloed, zweet, urine of andere lichaamsvloeistoffen en het is niet nodig ze eerst voor te bewerken. De substraat bindende eiwitten bevinden zich aan de ene kant van een membraan met de nanoporiën, het monster zit aan de andere kant. ‘Omdat de poriën erg nauw zijn komt het monster niet verder dan de porie en mengt dus niet met de vloeistof aan de andere kant, zodat we continue kunnen meten.’

De uitdaging is nu om bruikbare eiwitten te vinden die binden aan nog meer verschillende substraten, zoals ook geneesmiddelen. De groep van Maglia heeft er tot nu toe tien gevonden. ‘Maar die moeten worden aangepast om in de porie te kunnen functioneren. En tot nu toe begrijpen we nog niet goed welke mechanismen belangrijk zijn voor een goede werking. Dus het vinden van een geschikt eiwit is een kwestie van proberen.’ Maglia overweegt een bedrijf op te starten dat dit soort substraat bindende eiwitten gaat produceren. ‘Als we een systeem kunnen maken met eiwitten die honderden verschillende moleculen tegelijk kan herkennen hebben we een technologie die de medische diagnostiek op zijn kop zal zetten.’

Referentie: Nicole S. Galenkamp, Misha Soskine, Jos Hermans, Carsten Wloka and Giovanni Maglia: Direct electrical quantification of glucose and asparagine from bodily fluids using nanopores

⁽¹⁾ Huang et al, Nature Communications, 16 October 2016, DOI 10.1038/s41467-017-01006-4