La micropiastra a pozzetti multipli, da tempo uno strumento standard nella ricerca biomedica e nei laboratori diagnostici, potrebbe diventare un ricordo del passato grazie alla nuova tecnologia di biorilevamento elettronico sviluppata da un team di ingegneri microelettronici e scienziati biomedici presso il Georgia Institute of Technology.

Essenzialmente matrici di minuscole provette, le micropiastre sono state utilizzate per decenni per testare simultaneamente più campioni per le loro risposte alle sostanze chimiche, organismi viventi o anticorpi. La fluorescenza oi cambiamenti di colore nelle etichette associate ai composti sulle piastre possono segnalare la presenza di particolari proteine ​​o sequenze geniche.

I ricercatori sperano di sostituire queste micropiastre con la moderna tecnologia microelettronica, inclusi array usa e getta contenenti migliaia di sensori elettronici collegati a potenti circuiti di elaborazione del segnale. Se hanno successo, questa nuova piattaforma di biorilevamento elettronico potrebbe aiutare a realizzare il sogno della medicina personalizzata rendendo possibile la diagnosi della malattia in tempo reale - potenzialmente nello studio di un medico - e aiutando a selezionare approcci terapeutici personalizzati.

“Questa tecnologia potrebbe aiutare a facilitare una nuova era della medicina personalizzata, "ha detto John McDonald, capo ricercatore presso l'Ovarian Cancer Institute di Atlanta e professore alla Georgia Tech School of Biology. “Un dispositivo come questo potrebbe rilevare rapidamente negli individui le mutazioni genetiche che sono indicative del cancro e quindi determinare quale sarebbe il trattamento ottimale. Ci sono molte potenziali applicazioni per questo che non possono essere fatte con le attuali tecnologie analitiche e diagnostiche”.

Fondamentale per il nuovo sistema di biosensori è la capacità di rilevare elettronicamente marcatori che differenziano tra cellule sane e malate. Questi marcatori potrebbero essere differenze nelle proteine, mutazioni nel DNA o anche livelli specifici di ioni che esistono in quantità diverse nelle cellule tumorali. I ricercatori stanno trovando sempre più differenze come queste che potrebbero essere sfruttate per creare tecniche di rilevamento elettronico veloci ed economiche che non si basano su etichette convenzionali.

“Abbiamo messo insieme diversi nuovi pezzi di tecnologia nanoelettronica per creare un metodo per fare le cose in un modo molto diverso da quello che abbiamo fatto, "ha detto Muhannad Bakir, professore associato presso la School of Electrical and Computer Engineering della Georgia Tech. “Quello che stiamo creando è una nuova piattaforma di rilevamento generica che sfrutta il meglio della nanoelettronica e dell'integrazione di sistemi elettronici tridimensionali per modernizzare e aggiungere nuove applicazioni alla vecchia applicazione di micropiastre. Questo è un connubio tra elettronica e biologia molecolare”.

Gli array di sensori tridimensionali sono fabbricati utilizzando sistemi convenzionali a basso costo, tecnologia della microelettronica top-down. Sebbene possa essere necessario modificare i sistemi esistenti di preparazione e caricamento del campione, i nuovi array di biosensori dovrebbero essere compatibili con i flussi di lavoro esistenti nei laboratori di ricerca e diagnostica.

“Vogliamo rendere questi dispositivi semplici da produrre sfruttando tutti i progressi compiuti nella microelettronica, mentre allo stesso tempo non modifica in modo significativo l'usabilità per il clinico o il ricercatore, "ha detto Ramasamy Ravindran, un assistente di ricerca laureato presso il Centro di ricerca sulle nanotecnologie della Georgia Tech e la Scuola di ingegneria elettrica e informatica.

Un vantaggio chiave della piattaforma è che il rilevamento verrà effettuato utilizzando strumenti a basso costo, componenti usa e getta, mentre l'elaborazione delle informazioni sarà effettuata da circuiti integrati convenzionali riutilizzabili collegati temporaneamente all'array. Connettori a molla ad altissima densità meccanicamente conformi e avanzati "through-silicon vias" effettueranno le connessioni elettriche consentendo ai tecnici di sostituire gli array di biosensori senza danneggiare i circuiti sottostanti.

La separazione delle parti di rilevamento e lavorazione consente di ottimizzare la fabbricazione per ogni tipo di dispositivo, osserva Hyung Suk Yang, un assistente di ricerca laureato che lavora anche nel Centro di ricerca sulle nanotecnologie. Senza la separazione, i tipi di materiali e processi che possono essere utilizzati per fabbricare i sensori sono fortemente limitati.

La sensibilità dei minuscoli sensori elettronici può spesso essere maggiore dei sistemi attuali, potenzialmente permettendo alle malattie di essere individuate prima. Poiché i pozzetti dei campioni saranno sostanzialmente più piccoli di quelli delle attuali micropiastre, consentendo un fattore di forma più piccolo, potrebbero consentire di eseguire più test con un dato volume di campione.

La tecnologia potrebbe anche facilitare l'uso del rilevamento basato su ligandi che riconosce sequenze genetiche specifiche nel DNA o nell'RNA messaggero. "Questo ci darebbe molto rapidamente un'indicazione delle proteine ​​che vengono espresse da quel paziente, che ci dà la conoscenza dello stato di malattia al punto di cura, "ha spiegato Ken Scarberry, un borsista post-dottorato nel laboratorio di McDonald's.

Finora, i ricercatori hanno dimostrato un sistema di biorilevamento con sensori a nanofili di silicio in un dispositivo a 16 pozzetti costruito su un chip di un centimetro per un centimetro. I nanofili, solo 50 per 70 nanometri, differenziato tra cellule tumorali ovariche e cellule epiteliali ovariche sane a una varietà di densità cellulari.

La tecnologia dei sensori a nanofili di silicio può essere utilizzata per rilevare contemporaneamente un gran numero di cellule e biomateriali diversi senza etichette. Oltre a quella tecnologia versatile, la piattaforma di biorilevamento potrebbe ospitare un'ampia gamma di altri sensori, comprese le tecnologie che potrebbero non esistere ancora. In definitiva, centinaia di migliaia di sensori diversi potrebbero essere inclusi su ogni chip, sufficiente per rilevare rapidamente i marcatori per un'ampia gamma di malattie.

“La nostra idea di piattaforma è davvero indipendente dai sensori, disse Ravindran. “Potrebbe essere utilizzato con molti sensori diversi che le persone stanno sviluppando. Ci darebbe l'opportunità di riunire molti tipi diversi di sensori in un singolo chip".

Le mutazioni genetiche possono portare a un gran numero di diversi stati patologici che possono influenzare la risposta di un paziente alla malattia o ai farmaci, ma gli attuali metodi di rilevamento etichettati sono limitati nella loro capacità di rilevare un gran numero di marcatori diversi contemporaneamente.

Mappatura dei polimorfismi a singolo nucleotide (SNP), variazioni che rappresentano circa il 90% della variazione genetica umana, potrebbe essere utilizzato per determinare la propensione di un paziente per una malattia, o la loro probabilità di beneficiare di un particolare intervento. La nuova tecnologia di biorilevamento potrebbe consentire agli operatori sanitari di produrre e analizzare mappe SNP presso il punto di cura.

Sebbene rimangano molte sfide tecniche, la capacità di eseguire lo screening di migliaia di marcatori di malattie in tempo reale ha entusiasmato scienziati biomedici come McDonald.

“Con abbastanza sensori lì dentro, potresti teoricamente mettere tutte le possibili combinazioni sull'array, " Egli ha detto. “Questo non è stato considerato possibile fino ad ora perché probabilmente non è fattibile realizzare un array abbastanza grande da rilevarli tutti con la tecnologia attuale. Ma con la tecnologia microelettronica, puoi facilmente includere tutte le combinazioni possibili, e questo cambia le cose”.

I documenti che descrivono il dispositivo di biorilevamento sono stati presentati alla conferenza sui componenti elettronici e la tecnologia e alla conferenza internazionale sulla tecnologia di interconnessione nel giugno 2010.