MBx

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 !