Molecular Biosensors for medical diagnostics (MBx) Groepsleden Staff 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) F-vleugel 1e verdieping + 5-10 studenten Master Track: Fysische Instrumentatie & Medische Fysica 1

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

honderden eiwitten gevonden in zeer lage concentraties: 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 glucose hartfalen  produktie eiwit “troponine” tijdrovende analyse in chemisch lab. (bijv. Diagnostisch Centrum Eindhoven)

Nodig: nieuwe concepten voor een gevoelige en snelle biosensor ! selectiviteit gevoeligheid gebruik biologische herkennng gereedschapkist natuurkunde signaal Elektrisch Optisch Magnetisch

celoppervlak  sensoroppervlak Biologische herkenning: gebruik immuunsysteem natuur eiwit herkenning van één soort eiwit 20 nm antilichaam celoppervlak  sensoroppervlak

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 magneetveld sensor voelt magneetje  stroom verandert stroomdraad

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 Fm 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) modify ionic strength or pH clean with IPA start timer beads in solution 2000x diluted deeltjes met streptavidine eiwit plakken aan glas eiwitten veranderen van lading bij verschillende pH afscherming door ionen

Eiwit interacties ook met: - optisch pincet (BMT) (Benchmarking) - 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 fysica biologie 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: l.j.van.ijzendoorn@tue.nl of kom langs in de F-vleugel !