Development of novel bioanalytical assays with single-molecule readout for biomarker detection and drug candidate characterization

Doktorsavhandling, 2017

I våra kroppar sker varje ögonblick ett mycket stort antal interaktioner mellan biologiska molekyler. Dessa interaktioner är nödvändiga för att upprätthålla alla biologiska processer, vilket i sin tur är av yttersta vikt för att vi ska må bra och hålla hälsan. Studiet av dessa interaktioner är inte bara viktigt för att nå en fördjupad förståelse för komplexa biologiska system, såsom vår egen människokropp, utan också för att bidra till en ökad insikt om de sjukdomar som kan drabba oss. Andra viktiga aspekter av att studera biomolekylära interaktioner är i syfte att utveckla nya, mer effektiva och i förlängningen personligt anpassade läkemedel, samt att finna nya molekyler vars förekomst skvallrar om att ett visst sjukdomstillstånd föreligger; så kallade biomarkörer.

För att kunna studera interaktioner mellan biomolekyler eller att i diagnostiskt syfte detektera förekomsten av en viss biomolekyl i ett prov används så kallade bioanalytiska sensorer. Dessa sensorer består, per definition, av tre olika komponenter; ett element utformat för att känna igen den biomolekyl man ämnar finna, ett element som vid denna igenkänningen sänder ut en mätbar signal, samt en anordning som mäter denna signal och presenterar resultatet på ett begripligt sätt för användaren. Idag finns en uppsjö av dessa olika biosensorer, där valet av sensor beror på aspekter så som vilken den eftersökta biomolekylen är och vilken grad av förekomst (koncentration) den förväntas ha i provet. Två välkända exempel, mycket tack vare deras breda användande och tillgänglighet, är graviditetstestet och glukosmätaren.

I denna avhandling har nya metoder för att studera biomolekylära interaktioner utvecklats. I första delen har fokus varit att utveckla metoder som är kompatibla med en viktig grupp av proteiner som återfinns i det membran som omger cellen, kallade G-protein-kopplade receptorer (GPCR:er). Eftersom deras naturliga funktion är att känna av cellens yttre miljö och kommunicera detta till cellens inre, vilket är en förutsättning för att cellen ska kunna initiera en fysiologisk respons av detta yttre stimuli, har denna grupp av membranproteiner visat sig vara högst intressanta ur ett läkemedelsperspektiv. GPCR:er har dock visat sig vara svåra att studera, dels för att det i varje cell finns ytterst få och dels eftersom de är mycket känsliga för förändringar i sin närmaste omgivning, vilket försvårat användandet av konventionella metoder för att studera dem.

I den andra delen av avhandlingen utvecklades en helt ny instrumentell plattform för att samtidigt kunna studera nanopartiklar av två olika färger direkt i lösning. Två olika diagnostiska koncept, som båda baserats på denna plattform och de färgade nanopartiklarna, utvecklades för att detektera en biomarkör för t.ex. Alzheimers och ischemisk stroke och en för influensa-infektion. Även ett tredje koncept utvecklades, återigen baserat på samma plattform, för att enkelt och snabbt detektera viruspartiklar vid väldigt låga koncentrationer. I avhandlingens sista kapitel föreslås hur denna metod skulle kunna förbättras för att bli ännu känsligare och även kunna bidra inom andra medicinska och diagnostiska applikationsområden.