È probabile che la ricerca di biomarcatori in grado di avvertire di malattie come il cancro mentre sono ancora nella loro fase iniziale diventi molto più semplice grazie a un innovativo chip biosensore sviluppato dai ricercatori della Stanford University.

Il sensore è fino a 1, 000 volte più sensibile di qualsiasi tecnologia attualmente in uso clinico, è accurato indipendentemente dal fluido corporeo che viene analizzato e può rilevare le proteine ​​dei biomarcatori in un intervallo di concentrazioni tre volte più ampio rispetto a qualsiasi metodo esistente, dicono i ricercatori.

Il chip del nanosensore può anche cercare fino a 64 proteine ​​diverse contemporaneamente e si è dimostrato efficace nella diagnosi precoce dei tumori nei topi, suggerendo che potrebbe aprire la porta a un rilevamento significativamente più precoce anche dei tumori più elusivi negli esseri umani. Il sensore può anche essere utilizzato per rilevare marcatori di malattie diverse dal cancro.

"Nella fase iniziale [di un cancro], il livello del biomarcatore proteico nel sangue è molto, molto basso, quindi hai bisogno di una tecnologia ultrasensibile per rilevarlo, " ha detto Shan Wang, professore di scienze e ingegneria dei materiali e di ingegneria elettrica, e autore senior di un articolo che descrive il sensore, che è stato pubblicato online su Medicina della natura l'11 ottobre. "Se riesci a rilevarlo in anticipo, puoi avere un intervento precoce e hai molte più possibilità di curare quella persona".

Wang ha affermato che la tecnologia dei nanosensori potrebbe anche consentire ai medici di determinare rapidamente se un paziente sta rispondendo a un particolare ciclo di chemioterapia. "Possiamo sapere il secondo o il terzo giorno di trattamento se funziona o meno, invece di un mese o due dopo, " Egli ha detto.

Il sensore che Wang e i suoi colleghi hanno creato, che utilizza la nanotecnologia di rilevamento magnetico che avevano sviluppato in precedenza, può rilevare un determinato biomarcatore proteico associato al cancro a una concentrazione di appena una parte su cento miliardi (o 30 molecole in un millimetro cubo di sangue).

Sebbene le basi della tecnologia di rilevamento magnetico utilizzata nel nuovo biosensore siano state descritte l'anno scorso in un articolo negli Atti della National Academy of Sciences, il nuovo sensore non solo è più sensibile del precedente di diversi ordini di grandezza, supera anche il suo predecessore - e i metodi di rilevamento ora in uso - in molti altri modi.

Individuazione precoce dei tumori nei topi

Il guadagno di prestazioni più impressionante descritto nel Medicina della natura carta è che i ricercatori hanno ora dimostrato che il sensore magneto-nano può rilevare con successo i tumori cancerosi nei topi quando i livelli di proteine ​​​​associate al cancro sono ancora ben al di sotto delle concentrazioni rilevabili utilizzando l'attuale metodologia standard, conosciuto con l'acronimo ELISA.

"Questa è una scoperta fondamentale per noi perché dice che in un'applicazione biologica realistica - quella della crescita del tumore nei topi - possiamo effettivamente vedere i tumori prima che qualsiasi altra cosa potesse rilevarli, " ha detto Sam Gambhir, professore di radiologia a Stanford.

"Direi che il documento PNAS è una prova del concetto della tecnologia, e il Medicina della natura la carta è la prova del concetto della tecnologia che funziona in un'applicazione del mondo reale, " ha detto. "Una cosa è avere la tecnologia che mostra che può funzionare in linea di principio; è un'altra cosa utilizzarlo effettivamente con campioni di sangue di topo reale da un vero topo che sta sviluppando un vero tumore".

Nel Medicina della natura carta, i ricercatori mostrano che il nuovo sensore magneto-nano ha un'ampia gamma di sensibilità, dalla minuscola quantità descritta prima a concentrazioni di sei ordini di grandezza, o un milione di volte, maggiore. I migliori metodi di analisi esistenti, o saggi, nell'uso clinico sono in grado di rilevare proteine ​​in un intervallo di concentrazioni di al massimo due ordini di grandezza.

La maggior parte delle piattaforme di rilevamento attualmente in uso si limita inoltre a eseguire una singola analisi alla volta, ma poiché i sensori magneto-nano sono collegati a un microchip in una serie di 64 sensori, ognuno dei quali può essere impostato per rilevare una proteina diversa, i ricercatori possono cercare fino a 64 proteine ​​diverse contemporaneamente durante una singola analisi, che in genere richiede da una a due ore, molto meno della maggior parte dei test esistenti.

I ricercatori hanno anche dimostrato che il sensore è ugualmente efficace in ogni probabile fluido biologico, o matrice, che un medico vorrebbe analizzare per le proteine ​​associate al cancro. Questi fluidi includono l'urina, saliva, plasma sanguigno (sangue con le cellule del sangue rimosse), siero (plasma sanguigno con i fattori che promuovono la coagulazione rimossi) e lisati cellulari (il nome applicato allo stufato cellulare prodotto dalla dissoluzione delle cellule).

"L'idea che tu possa essenzialmente, su un'unica piattaforma di analisi, misurare un'ampia diversità di biomolecole che si trovano in un intervallo così ampio di concentrazioni con una tale sensibilità è davvero, davvero notevole, " disse Charles Drescher, un professore di ostetricia e ginecologia presso l'Università di Washington a Seattle, che non era coinvolto nella ricerca. "Penso che saremo tutti molto eccitati se questo funziona davvero".

La chiave della versatilità del sensore magneto-nano e dell'ampia gamma di concentrazioni che può rilevare risiede nell'uso del magnetismo.

Come i nanotag magnetici rivelano la cava

Il meccanismo di rilevamento di base impiegato nei sensori magneto-nano è quello di catturare gli antigeni - composti dannosi prodotti e diffusi dalle cellule tumorali - utilizzando anticorpi che tendono naturalmente a legarsi con gli antigeni. Gli anticorpi, soprannominato "cattura anticorpi, " sono applicati a un sensore, in modo che quando la matrice di interesse viene posizionata sul chip del sensore, gli antigeni appropriati si legano.

Mentre gli antigeni sono trattenuti, viene applicata un'altra dose di anticorpi. Questi anticorpi sono attratti dagli antigeni contenuti nei sensori, e legandosi con essi sigillano efficacemente gli antigeni all'interno di un sandwich di anticorpi. I ricercatori applicano quindi un lavaggio contenente tag di nanoparticelle magnetiche che sono stati adattati per adattarsi a anticorpi specifici. I nanotag magnetici si attaccano all'anticorpo esterno sul sandwich, dove alterano il campo magnetico ambientale in un modo piccolo ma distinto e rilevabile che viene rilevato dal rilevatore.

I saggi di rilevamento delle proteine ​​attualmente in uso si basano su una varietà di meccanismi, come misurare la carica elettrica, segnali fluorescenti o pH, tutti soggetti a interferenze dalla matrice biologica in cui risiedono le proteine ​​desiderate. Mentre un dosaggio particolare può andare bene per valutare la concentrazione di una proteina nelle urine, Per esempio, può funzionare male se applicato a un campione di sangue, poiché le differenze nella composizione della matrice influiscono su proprietà come il pH o la carica elettrica.

"I nostri sensori si sono dimostrati piuttosto insensibili alla matrice, quindi questo è un altro elemento chiave da un punto di vista scientifico, " ha detto Wang. Ad esempio, Egli ha detto, "Sappiamo che nella saliva e nel sangue, hanno valori di pH completamente diversi e chimica diversa, ma sono tutti non magnetici. Magneticamente sono proprio come l'aria. Quindi non interferisce con il nostro meccanismo [di rilevamento]."

La maggior parte dei test attualmente in uso è in grado di rilevare le proteine ​​solo in un ristretto intervallo di concentrazioni prima che un'interferenza di qualche tipo riduca la sensibilità del test. Ciò può richiedere una serie di analisi da eseguire su un campione diluito a diversi dosaggi, al fine di assemblare un quadro completo della concentrazione di una proteina nella matrice. Ma di nuovo, utilizzando il rilevamento magnetico, Wang ei suoi colleghi sono in grado di evitare tale degrado del segnale.

"Con l'elevata sensibilità e l'ampia gamma possiamo guardare un grande pannello di proteine ​​su un'ampia gamma di concentrazioni, e con l'insensibilità alla matrice, possiamo guardarli in diversi fluidi, " ha detto Richard Gaster, Dottore di ricerca in bioingegneria e medicina, e primo autore sul Medicina della natura carta. "Non dobbiamo adattare dove stiamo guardando; possiamo guardare tutto contemporaneamente." Che produce risparmio di tempo, quale, una volta che il sensore entra in uso commerciale, si tradurrà anche in risparmio monetario.

Un'altra virtù della tecnologia, Wang ha detto, è che utilizza la tecnologia esistente già in uso nei settori dell'archiviazione dei dati e dei semiconduttori e per questo motivo, Ha aggiunto, "Può essere realizzato in modo relativamente economico".

"È lo stesso sensore che stai utilizzando in un'unità disco rigido per rileggere un disco rigido, " ha detto. "Molto simile a quello."

Uno dei prossimi passi della ricerca, Wang ha detto, consiste nel testare i sensori magneto-nano su campioni di sangue umano prelevati da uno studio a lungo termine in cui i ricercatori hanno prelevato campioni di sangue da soggetti prima che a qualcuno di loro venisse diagnosticato il cancro. A tal fine, il team di Stanford collaborerà con il Fred Hutchison Cancer Research Center di Seattle e la Canary Foundation, un'organizzazione senza scopo di lucro che si concentra sulla diagnosi precoce del cancro.

"Possiamo effettivamente usare la nostra tecnologia per studiare tutti questi campioni e potremmo essere in grado di dire un anno prima o sei mesi prima o tre mesi prima della diagnosi, " Wang ha detto. "Quel lavoro sarà estremamente interessante".

Fonte:Stanford University (notizie:web)