Skip to main content

A Wearable Sensor for Hormones Based on a Native Microbial Sensing

Article Category

Article available in the folowing languages:

Ambulatoryjne badanie hormonalne na wyciągnięcie ręki

Bioczujniki stały się ważnymi narzędziami w wielu dziedzinach, od biomedycyny do obronności, ale ich koszt i skala złożoności może ograniczyć ich wykorzystanie. Nowatorska platforma pozwala ujarzmić ekspresję genów bakterii w celu pomiaru poziomów hormonów, obniżając koszty i otwierając możliwości dla diagnostyki ambulatoryjnej.

Gospodarka cyfrowa
Zdrowie

Bioczujniki wykrywają stężenie lub działalność substancji chemicznych dzięki naturalnym cząsteczkom, takim jak enzymy lub przeciwciała, które łączą się z innymi elementami. Przeciwciała są drogie w produkcji, dlatego zminimalizowanie kosztów bioczujników, przy jednoczesnym zwiększeniu ich selektywności i wrażliwości, jest często trudnym celem do osiągnięcia. Do chwili obecnej złotym standardem dla wykrywania hormonów są wysoko skuteczne, ale drogie badania osocza krwi z użyciem przeciwciał. Mając wsparcie z programu indywidualnych stypendiów w ramach działania „Maria Skłodowska-Curie”, w projekcie SENSHOR opracowano niedrogą i skuteczną alternatywę, zastępując przeciwciała z niewielką pomocą ze strony bakterii. Ponadto badanie próbki moczu, zamiast osocza krwi, umożliwia tanie monitorowanie wszystkich ważnych molekuł podczas wizyty ambulatoryjnej.

Od genetyki bakteryjnej i kropek kwantowych do bioczujników

Progesteron jest ważnym hormonem steroidowym, który jest istotny dla regulacji cyklu miesiączkowego oraz przygotowania macicy do utrzymania ciąży. Badania stężenia progesteronu są wykorzystywane do oceny płodności i etapu zaawansowania ciąży. Bazują one jednak na przeciwciałach, które są drogie w produkcji i nieodwracalnie łączą się z progesteronem. Oznacza to, że nie można ich odzyskać i wykorzystać ponownie. W kontekście bliskiej współpracy z Markiem W. Grinstaffem, Jamesem E. Galaganem i współpracownikami na Uniwersytecie Bostońskim, Sébastien Lecommandoux, koordynator projektu, oraz Chloé Grazon (oboje z Uniwersytetu w Bordeaux), mieli lepszy pomysł. „Kluczową innowacją w projekcie SENSHOR było wykorzystanie białek nazywanych czynnikami transkrypcyjnymi (TF) do wykrycia hormonów. TF to białka, które odwracalnie łączą określone sekwencje DNA w obecności oznaczanej substancji, aby kontrolować ekspresję genów. Po raz pierwszy białka wrażliwe na hormony zostały wyprodukowane w bakteriach i użyte ex vivo do opracowania czujnika”, wyjaśnia Lecommandoux. Aby stworzyć łatwy do wykrycia sygnał, Grazon wykorzystał nietypowe zjawisko transferu energii rezonansu fluorescencji (FRET). FRET jest zależnym od odległości procesem fizycznym transferu energii od fluoroforu molekularnego (donora), będącego w stanie wzbudzonym, do innego fluoroforu (akceptora). W przypadku czujnika para donor-akceptor to fluorescencyjnie oznakowane białko i fluorescencyjna sekwencja DNA. Jeśli w roztworze nie ma hormonu, który rozdziela te dwie substancje, mogą one wymieniać energię zgodnie z FRET. Obecność hormonu powoduje, że substancje się rozdzielają, przyspieszając transfer energii i zakłócając sygnał fluorescencyjny. Fluorescencja pochodzi od kropek kwantowych, wybranych ze względu na ich jasność oraz odporność na fotowybielenie. Lecommandoux wyjaśnia dalej: „W ramach projektu SENSHOR poprawiliśmy stabilność fluorescencyjnych kropek kwantowych FRET. Ich trwałość pozwoliła także poprawić stosunek sygnału do szumu, a zatem granicę wykrywalności czujnika”.

Wytyczanie drogi do czujników do użytku ambulatoryjnego

„Użyliśmy naszej pionierskiej platformy bioczujnikowej, aby z powodzeniem wykryć stężenie fizjologiczne progesteronu w moczu oraz opracowaliśmy niedrogie i podręczne urządzenie, które pozwala otrzymać tę samą fluorescencyjną odpowiedź na dawkę progesteronu. Wykorzystując tę samą technologię możemy opracować bioczujnik dla prawie każdej substancji, która jest metabolizowana przez bakterie”, mówi Grazon. Te przełomowe wyniki zostały opublikowane w prestiżowym, recenzowanym czasopiśmie naukowym „Nature Communications”. Zespołowi udało się unieruchomić bioczujnik na powierzchni oraz wbudować go w hydrożele, co było ważnym krokiem do opracowania urządzeń funkcjonalnych dla praktycznych zastosowań. Wyniki projektu SENSHOR torują drogę do opłacalnych i skutecznych ambulatoryjnych bioczujników dla hormonów i innych substancji.

Słowa kluczowe

SENSHOR, bioczujnik, progesteron, FRET, bakterie, przeciwciała, TF, kropki kwantowe, czynnik transkrypcyjny, transfer energii rezonansu fluorescencji

Znajdź inne artykuły w tej samej dziedzinie zastosowania