Kenniswerkersproject: NXP en UMC Nijmegen willen DSP voor biomoleculen

17 december 2009

Het opsporen van een infectie duurt eigenlijk altijd te lang. Bij niet-levensbedreigende situaties moet er eerst bloed worden afgetapt en opgestuurd naar een centraal laboratorium, waar de monsters voor een groot aantal patiënten worden geanalyseerd. De patiënt zal moeten afwachten voordat de behandeling start en moet wellicht meerdere afspraken maken met de dokter. Als de situatie wél om snelle resultaten vraagt, gaan die procedures natuurlijk een stuk sneller. Maar juist als elke minuut telt, kunnen de laboratoriumtests relatief veel tijd in beslag nemen.

Het is dus niet zo gek dat er steeds meer aandacht komt voor point of care-tests. Het idee is dat medisch personeel gewapend met een handheld apparaat binnen enkele minuten een betrouwbare diagnose krijgen aan de hand van een druppeltje bloed of urine. Elektronicabedrijven hebben al verschillende ideeën uitgedokterd waarop dit kan. Ook NXP heeft hier de afgelopen jaren een idee voor ontwikkeld. Dat gaat echter veel verder dan simpelweg detecteren van de moleculen. Het chipbedrijf heeft een soort van ‘digitale signaalverwerker voor biomoleculen’ voor ogen: de chip geeft gegevens over de bindingsdynamiek en bijvoorbeeld uitschieters in het bindingspatroon. ‘Het idee is: moleculen in, bits uit’, zegt Frans Widdershoven van NXP. Via deze signaalverwerkingstechnieken zou veel meer informatie uit het sample gehaald kunnen worden. Dat is nieuw voor de medische wereld.

In het kenniswerkersproject ‘Electronic diagnostics test for infectious diseases’ wil NXP nu samen met het Universitair Medisch Centrum Nijmegen bekijken of de methode daadwerkelijk te integreren is met de biomaterialen. NXP heeft drie personen op het project zitten, van het UMCN doet een fulltime onderzoeker mee.

De methode werkt zoals de meeste van dit soort systemen met antilichamen, moleculen die zeer specifiek aan een doelmolecuul binden. In een standaard 90-nm-CMos-proces wordt een plakje silicium voorzien van ruim 65 duizend gepolijste koperen via’s. Hierop wordt een zelfassemblerende monolaag van organische moleculen aangebracht, waarin de antilichamen worden verankerd. Als een vloeibaar sample wordt toegevoegd, vormt dat geheel een condensator: het koper en de vloeistof met opgeloste zouten zijn de elektroden, de monolaag fungeert als diëlektricum.

De truc zit ’m er nu in dat de capaciteit van condensator verandert als er een antilichaam bindt. De capaciteit van de condensator ligt in de ordergrootte van 0,1 femtofarad, een binding verandert dat met enkele attofarads. Toch is die kleine waarde meerdere keren per seconde te meten, doordat de elektroden deel uitmaken van een geïntegreerde chip met alle bijbehorende elektronica. Het is zelfs mogelijk om individuele bindingsgebeurtenissen te detecteren. En door groepjes van elektroden te voorzien van verschillende antilichamen, zijn meerdere moleculen te detecteren.

Aantrekkelijk aan het ontwerp is dat het alleen standaard CMos-processen gebruikt. ‘Het is gewoon een chip uit de fabriek, we gebruiken geen nanodraden of zo, die je veel ziet in academia’, zegt Widdershoven. Alleen worden via’s normaal niet gepolijst, maar deze bewerkingsstap is wel standaard in andere delen van het fabricageproces. Het aanleggen van een zelfassemblerende monolaag wordt door deze keuze wel wat lastiger. Normaal gaat dat op gouden substraten maar koper lijkt chemisch gezien genoeg op goud om het mogelijk te maken, zegt Widdershoven.

Het project moet uiteindelijk de vraag beantwoorden of de methode te gebruiken is voor het stellen van diagnoses. Daarvoor moeten de gegevens van meerdere markers worden gecombineerd. Daarnaast is er nog de vraag of het systeem kan worden opgeschaald om vele verschillende biomarkers tegelijk op te sporen. Daarvoor is nog een lange weg te gaan. Op het moment is de eerste chip er en binnenkort hopen de researchers de eerste metingen ermee te kunnen uitvoeren.

Pieter Edelman

Terug naar overzicht