I biosensori misurano la concentrazione di molecole in campioni biologici per scopi biomedici, ambientale, e applicazioni industriali, e, idealmente, dovrebbero fornire in tempo reale, dati continui. Però, il monitoraggio continuo di piccole molecole a basse concentrazioni è problematico. I ricercatori della Eindhoven University of Technology hanno sviluppato un approccio di rilevamento innovativo basato su sosia molecolari. Ciò potrebbe rivelarsi fondamentale nei futuri biosensori per il monitoraggio della salute e delle malattie.

Il campo dei biosensori ha una storia ricca e inventiva. Il "padre dei biosensori" è visto da molti come Leland C. Clark Jr., che progettò un sensore per misurare l'ossigeno nel sangue nei primi anni '60.

Però, come accade nelle opere pionieristiche, le cose non sono iniziate come aveva sperato. I suoi progetti di sensori iniziali non sono riusciti perché i componenti del sangue hanno influito sull'elettrodo di rilevamento.

La soluzione di Clark è stata quella di separare l'elettrodo e il sangue con un involucro di cellophane da un pacchetto di sigarette, che si è rivelata la soluzione necessaria per misurare in modo affidabile l'ossigeno nel sangue. Un ottimo esempio di creatività e innovazione in laboratorio!

Avanti veloce al 2020, e ricercatori dei dipartimenti di ingegneria biomedica e fisica applicata della TU/e ​​stanno dimostrando un'inventiva simile quando si tratta di rilevare molecole di interesse a bassa massa.

In un articolo pubblicato su Sensori ACS , Junhong Yan, Menno Prins, e colleghi mostrano un nuovo approccio in grado di misurare continuamente la concentrazione di molecole a bassa massa di interesse in campioni biologici basati sul biosensore per mobilità delle particelle (BPM).

"Il nostro approccio è una piattaforma per i futuri biosensori per monitorare continuamente i marcatori associati a condizioni di salute personale come insufficienza renale o epatica, "dice Yan.

Biosensori 101

I biosensori esistenti in genere forniscono un singolo risultato di misurazione da un singolo campione biologico. Il campione può essere sangue, sudore, urina, o saliva, e il risultato può essere il livello di una proteina, un ormone, una droga, o un virus nel campione.

Però, sarebbe meglio se i sensori fornissero un flusso continuo di dati anziché solo un singolo punto dati, perché ciò consentirebbe a un individuo di monitorare come si sviluppa una condizione medica nel tempo.

L'unico biosensore continuo attualmente disponibile in commercio è il Continuous Glucose Monitor (CGM) che misura continuamente il glucosio nel fluido cutaneo interstiziale, che è molto utile per le persone con diabete. Sfortunatamente, molecole diverse dal glucosio non possono ancora essere misurate continuamente. Ciò rappresenta un'opportunità significativa per l'innovazione dei sensori!

Ogni biosensore è costituito da tre parti principali:un componente molecolare che coinvolge un biorecettore che può legarsi alla molecola di interesse, un principio trasduttore che converte il riconoscimento molecolare in un segnale rilevabile, e un sistema di rilevamento che registra il segnale e presenta la risposta come numero, grafico, suono, o indicazione luminosa per essere facilmente interpretata dall'utente.

"In questo lavoro ci siamo concentrati sulla prima parte:ideare un principio molecolare per misurare continuamente molecole di interesse con bassa massa molecolare e bassa concentrazione, "dice Prins.

Sosia molecolari

Il sensore progettato da Yan, Prin, e il team ha adottato l'uso di sosia molecolari o versioni false delle molecole di interesse.

Quindi, in che modo queste molecole simili aiutano nel rilevamento delle molecole reali? Menno Prins spiega di più:"La superficie del sensore è ricoperta di anticorpi che possono legarsi alle molecole di interesse. Quando non ci sono molecole nel fluido di prova, le molecole simili sono libere di legarsi agli anticorpi. Però, quando ci sono molecole di interesse nel fluido, questi possono legarsi agli anticorpi. Di conseguenza, i sosia vengono liberati dal loro legame con gli anticorpi."

Le molecole simili non si muovono liberamente attorno al sensore come fanno le molecole di interesse in un fluido di prova. Queste molecole simili sono attaccate a una microparticella, che è legato alla superficie del sensore usando il DNA in modo che possa essere rilevato il passaggio tra gli stati legati e non legati.

Il legame è la chiave

Il funzionamento della piattaforma di rilevamento è abbastanza semplice, e geniale va detto. Tutti gli eventi di legame molecolare sono progettati per essere reversibili. Ciò include il legame tra anticorpi e sosia, e il legame tra gli anticorpi e le molecole di interesse in soluzione.

Si verificano ripetuti eventi di legame e di separazione che coinvolgono le molecole simili o le molecole di interesse in un fluido, e questi eventi possono essere facilmente misurati utilizzando la microscopia ottica registrando lo stato della microparticella.

Quando c'è un'alta concentrazione delle molecole di interesse in una soluzione, quindi la maggior parte degli anticorpi sulla superficie del sensore viene bloccata. Ciò riduce la possibilità che le microparticelle passino a uno stato legato. D'altra parte, quando la concentrazione è bassa, quindi si verificano molti scambi tra stati legati e non legati a causa dei legami reversibili dei sosia molecolari.

"Il rilevamento di eventi di legame e separazione di un gran numero di particelle causati dalle interazioni molecolari specifiche è fondamentale per la tecnologia, permettendoci di misurare piccoli cambiamenti di concentrazione molecolare nel fluido, "dice Yan.

Test di superamento e passaggi successivi

Per testare il loro nuovo approccio, gli autori hanno progettato sensori per monitorare le concentrazioni di brevi frammenti di DNA a singolo filamento e di creatinina. Le concentrazioni sono state monitorate per ore, con una risoluzione temporale di pochi minuti.

La creatinina è una molecola metabolita con una piccola massa di soli 113 Dalton che è un marker per la funzione renale. Il marcatore potrebbe essere misurato nell'intervallo clinicamente rilevante tra 10 μM e 10 mM. Il DNA a filamento singolo potrebbe essere misurato tra 10 nM e 1 μM.

"Questi risultati sono molto promettenti e dimostrano che le piccole molecole possono essere continuamente monitorate in un'ampia gamma di concentrazioni. Il nostro prossimo obiettivo è dimostrare la tecnologia per un'ampia varietà di molecole e fluidi biologici, per consentire applicazioni future nel settore sanitario, e nei processi industriali e nel monitoraggio ambientale" afferma Prins.

Questo approccio di rilevamento innovativo può benissimo risolvere i problemi con il rilevamento di biomarcatori di massa a basso peso molecolare per le nostre future esigenze di biosensori.

Sebbene l'approccio sia un po' più sofisticato rispetto all'uso di un involucro di cellophane su un elettrodo, è molto probabile che il compianto Leland C. Clark Jr. sarebbe rimasto impressionato.