研究者らは、既製のコンポーネントを使用して、低コストであるだけでなく、病理学研究室で使用される最先端のバイオセンサーに匹敵する感度で 32 種類の病原体を迅速に検出できるセンサー デバイスを作成しました。この新しい装置は、癌治療の有効性の監視からウイルス性疾患の経過予測まで幅広い用途に使用できます。
病気を早期に診断することは、患者と医師の両方に利益をもたらします。これにより、治療により病気の進行を遅らせ、合併症のリスクを軽減できるため、長期的な健康状態が改善されます。早期診断の重要性を考慮して、ドイツのヘルムホルツ・ツェントルム・ドレスデン・ローゼンドルフ（HZDR）研究所のチームは、既製のコンポーネントを使用して、32 種類の異なる病原体を同時に検出できる、コスト効率の高い手のひらサイズの装置を作成しました。
新しいデバイスを作成するために、研究者らは電界効果トランジスタ (FET) を使用して、エレクトロニクス分野から基本概念を借用しました。電界効果トランジスタは、電界を使用して半導体内の電気の流れを制御します。これには、ソース、ゲート、ドレインの 3 つのコンポーネントがあります。ゲート表面に電圧を印加すると、その電位が変化し、ソースとドレイン間の電流の流れが制御されます。デバイスは、ゲート電圧が特定のしきい値に達した場合にのみ「電源がオン」になります。病原体が異なれば、発生する電位も異なり、したがって電流も異なります。たとえば、癌細胞はインフルエンザウイルスとは異なる電流を生成します。電流に大きな変化がないということは、疾患に関連する生体分子がセンサー (ゲート) 表面に結合していないことを意味し、その逆も同様です。
電界効果トランジスタに基づく従来のバイオセンサーの主な欠点は、テスト表面が再利用できず、使用後にトランジスタ全体を廃棄する必要があることであり、コストがかかり、環境にも優しくありません。この問題を解決するために、研究者らはトランジスタのゲートに接続された別の電極を使用して電位の変化を測定しました。
「これにより、このトランジスタを複数回使用する機会が得られました」と、この研究の責任著者であるラリーサ・バラバン氏は述べた。 「私たちはゲートを分離し、それを『拡張ゲート』、つまりテスト システムの拡張と呼びました。」
システムをさらに改善するために、研究者らは複数の病原体を検出できる 32 個のテスト パッドを備えた拡張ゲートを作成しました。
「このシステムが複数の分析を実行できることを私たちは確かに期待しています」とバラバン氏は語った。 「これは、各パッドで 1 つのサンプルを同時に異なる病原体について検査できることを意味します。」
研究者らは、感染や組織損傷に反応して生成されるタンパク質であるインターロイキン 6 (IL-6) を検出するためにデバイスを使用しました。これは免疫系活性化の強力なマーカーであり、炎症、感染症、自己免疫疾患、心血管疾患、および特定の癌で上昇します。
「単なる風邪であれ、癌であれ、IL-6濃度は変化します」とバラバン氏は言う。 「疾患や疾患の段階が異なれば、臨床症状も異なります。これが、IL-6 がマーカーとして非常に適している理由です。」
彼らは、研究者向けに設計された既製のナノ粒子キットを使用して金ナノ粒子を追加すると、電荷を集中または局所化し、電圧信号を増幅することができ、それによってデバイスの感度が向上することを発見しました。テストの感度は、ナノ粒子を使用しない場合よりも大幅に高かった。
彼らは、このデバイスが最先端の電界効果トランジスタベースのバイオセンサーに匹敵する感度と検出限界 (LOD) 値を備えた結果を迅速に生成することを発見しました。実際、このデバイスの LOD 値は、血液中の抗体を検出するために研究室で一般的に使用されている標準的な酵素結合免疫吸着測定法 (ELISA) 法と比較してはるかに低いです。
研究者らは、同社のバイオセンシングデバイスは低コストで、がん患者の免疫療法の進行状況のモニタリングから、インフルエンザや新型コロナウイルス感染症（ＣＯＶＩＤ－１９）などのウイルス性疾患の重症度や経過の予測に至るまで、幅広い用途が期待できると述べている。
この研究は、バイオセンサーとバイオエレクトロニクス誌に掲載されました。