Det finnes flere hundre proteiner i blodet som kan gi et bilde av allmenntilstanden vår – og gi informasjon om både hjertetilstand og eventuell kreftsykdom.

Når vi i dag tar en blodprøve på legekontoret med “full sjekk”, kan den analyseres bare for fem-seks indikatorer – som blodprosent, blodsukker og infeksjoner.

For andre testresultater må prøven sendes til et sentralt laboratorium for analyse. Da tar det gjerne en ukes tid før svaret kommer.

Forbedret følsomhet

For fire år siden startet et samarbeid mellom Sintef, Stanford University i USA og Universitetet i Oslo.

Målet var å lage en sensor som kunne forbedre følsomheten én million ganger, slik at de enkelte partiklene i blod kunne måles, deriblant proteiner i ekstremt lave konsentrasjoner og DNA- og RNA-molekyler.

Arbeidet har pågått siden da og resultatet er en ny nanopartikkelsensor som har sett dagens lys ved MiNaLab i Oslo.

Fotonisk krystall

Sensoren er en tynn silisiummembran – omtrent tre hundre ganger tynnere enn et hårstrå. Den er perforert med hundrevis av små hull i et regulært mønster.

– Slike strukturer kalles fotoniske krystaller. De samme strukturene finnes naturlig på enkelte sommerfuglvinger, forteller Ib-Rune Johansen ved Sintef IKT.

I likhet med kollegene Jon Olav Grepstad og Michal Mielnik mener han de ikke tar for hardt i når de hevder at dette er “den ultimate biosensoren – basert på det fremste av nanoteknologi”.

Stjernelys

Krystallet har den egenskap at det forsterker deler av lysspekteret.

– Når vi ser etter partikler i blodprøver, belyser vi det fotoniske krystallet fra baksiden. Slik kan vi bygge opp lysintensiteten mange hundre ganger inne i membranen.

– Krystallet er lystett; alt lys reflekteres og ingenting slipper gjennom. Avbildet fra baksiden, blir krystallet derfor som en svart nattehimmel. Men hver partikkel som fanges, blir hengende i hull i membranen og lager en lyslekkasje som ser ut som en stjerne, sier Johansen.

– Gjennombruddet vårt kom med denne muligheten til å se de bittesmå partiklene, forklarer han.

Tidlige kreftdiagnoser

I dag måler legelaboratorier proteiner når det er ubalanse i kroppen, slik tilfellet er blant annet ved infeksjoner. Den nye sensoren kan gå langt videre i analysene.

Kjemikere ved Sintef jobber med å feste reseptorer på veggen i hvert av hullene i membranen, såkalt biofunksjonalisering. Når blod pumpes gjennom, fanger reseptorene opp helt spesifikke molekyler, alt etter hva man leter etter.

Fordi membranen har veldig mange hull, kan mange proteiner bestemmes. Dermed kan sykdommer som for eksempel prostatakreft og eggstokkreft avsløres svært tidlig i et sykdomsforløp. 

To utfordringer overvunnet

Arbeid med biosensorer innebærer to utfordringer: Den ene består i å gjøre sensorene følsomme. Den andre er å få dem til å måle kun det de skal måle.

Sensorene må greie å se forskjell på to partikler og plukke ut de spesifikke proteiner man ser etter, det forskerne kaller spesifisitet.

Forskerne har forbedret følsomheten én million ganger i forhold til vanlige sensorer. I dag kan de måle partikler ned til 20 nanometer.

– En rekke proteiner som er aktuelle innen diagnostikk ligger i dette størrelsesområdet, men det finnes også mange som er mindre. Per i dag kan vi oppdage de store proteinene enkeltvis.

– Mindre proteiner kan også påvises, men ikke enkeltvis, så vi trenger flere proteiner før de kan oppdages med sensoren vår.

– Målet er imidlertid å perfeksjonere sensorens arkitektur slik at vi på sikt også klarer å oppdage de minste proteinene enkeltvis, forteller Michal Mielnik.

Forskerne har også funnet en metode for høy spesifisitet i tillegg til den eksepsjonelle følsomheten.

Følsomt– og billig

– Vi er veldig optimistiske, men mye forskning gjenstår, mener Ib-Rune Johansen.

I løpet av høsten vil det kjøres kunstige blodprøver gjennom membranen, og til våren skal det kjøres tester med proteiner fra eggstokkreft.

En av de aller beste nyhetene, er at verktøyet, som vil bestå av en sensor/membran, en lyskilde og et helt vanlig kamera som i dag brukes i mobil og pc, bare vil koste noen få tusenlapper å anskaffe for et legekontor.

I tillegg til medisinsk bruk, gir sensoren uante muligheter når det gjelder å telle opp og sette grenser for skadelige nanopartikler i naturen. Det vil bli mulig å overvåke både vann-, luft- og matkvalitet.