Molecular Biosensors for medical diagnostics (MBx) Groepsleden Staff
F-vleugel 1e verdieping
Leo van IJzendoorn Arthur de Jong Menno Prins (DHL, Philips Research)
Postdoc Asha Jacob AIO’s
Francis Fahrni Xander Janssen Loes van Zijp Kim van Ommering (Philips) Andrea Ranzoni (Philips)
+ 5-10 studenten
Master Track: Fysische Instrumentatie & Medische Fysica
Inhoud • Voorbeeld van een biosensor: de glucose sensor
………..principes, voordelen, beperkingen • Immunologie is essentieel voor biosensing • Magnetische labels
• Voorbeelden stages: Single molecule biophysics
Voorbeeld van een biosensor: de glucosemeter voor diabetici
wegwerp strip
- een druppel bloed (microliter) - analyse resultaat na 5 seconden beschikbaar ! Enorme vooruitgang voor patiënten (sinds 1999 vergoed door ziektekostenverzekering): van rigide dieet en ziekenhuiscontroles naar zelfzorg verlaging van kans op shock (hyper) of sufheid verlaging ziektekosten
Hoe werkt de glucosesensor? 1.druppel bloed wordt opgezogen
2. (bio)chemische reactie met enzym
3. redox reactie stroompje
H2O2 + 2H+ +2e- 2H2O Alleen mogelijk vanwege hoge concentratie glucose
Biologie / Biochemie: honderden eiwitten gevonden in zeer lage concentraties: (meer dan factor miljard lager dan glucose!)
1 fmol/l
1 pmol/l
1 nmol/l
1 mol/l
1 mmol/l
hartfalen produktie eiwit “troponine”
glucose
tijdrovende analyse in chemisch lab. (bijv. Diagnostisch Centrum Eindhoven)
Nodig: nieuwe concepten voor een gevoelige en snelle biosensor !
selectiviteit
gebruik biologische herkennng
Elektrisch
gevoeligheid
gereedschapkist natuurkunde
Optisch
signaal
Magnetisch
Biologische herkenning: gebruik immuunsysteem natuur
eiwit 20 nm antilichaam
celoppervlak sensoroppervlak
herkenning van één soort eiwit
Hoe bereiken we snelheid en gevoeligheid ? MBx onderzoekt gebruik magnetiseerbare deeltjes
eiwit
superparamagnetische deeltjes: detectie en fysieke manipulatie !
antilichaam sensoroppervlak
Biologische moleculen van nature niet magnetisch: gevoelig! o.a. gebruik van GMR sensoren uit harde schijf van computer
geschikt voor 1 staps minisensor zonder wasstappen
een magnetische biosensor
Prototype Philips Research
20 nm
Au
stroomdraad
magneetveld sensor voelt magneetje stroom verandert
MBx: nieuwe concepten voor de volgende generatie sensoren een functionele biosensor Meet interactie van proteïnes door aanleggen krachten: rotatie of translatie: single molecule biophysics in sensor !
Toepassingen:
- immunogeniciteit nieuwe medicijnen - onderzoek naar allergie
Meten van bindingsterkten door trekken (magnetische pincet)
afstuderen Inge van Donkelaar
Model systeem: Anti-Biotin - biotinylated-BSA 100
Number of beads [%]
90
~ 0 pN
80 70 ~ 4 pN
60 50 40
~ 18 pN
30 ~ 36pN
20
Fm
~ 53 pN
10 0 0
20
40
60
80
100
120
140
160
Time [s]
dissociatie constante (zonder kracht): k0=0.025 s-1 positie energie barriere: 0.23 nm (komt overeen met MD calcs!)
Torsiestijfheid van een moleculaire binding? Instrumentatie voor aanleggen roterend magneetveld image analysis !
balans hydrodynamische wrijving en magnetische kracht torque (Ben DeClerq)
Studie van niet-specifieke interacties (BSc Alexander van Reenen) beads in solution 2000x diluted
modify ionic strength or pH
clean with IPA
start timer
Β
Β
deeltjes met streptavidine eiwit plakken aan glas
eiwitten veranderen van lading bij verschillende pH afscherming door ionen
Eiwit interacties ook met: (Benchmarking)
- optisch pincet (BMT) - hydrodynamische actuatie met stroming - “tethered particle motion”
Deeltje met protein-G op glas / IgG op deeltje in optisch pincet
IgG coated
Bas Cloin
Gemiddelde kracht voor loskomen deeltjes gevonden!
enkele binding
dubbele binding
Samenvattend MBx: jonge groep met uitdagend multidiciplinair onderzoeksveld biologie
fysica
electrotechniek
chemie
Stage/afstudeer onderwerpen op gebied van: - actuatie magnetische deeltjes - (bio)moleculaire interacties - diverse technieken voor meten van interacties “single molecular biophysics” Voor actuele projecten:
[email protected] of kom langs in de F-vleugel !
