Un test di laboratorio utilizzato per rilevare malattie ed eseguire ricerche biologiche potrebbe essere reso più di 3 milioni di volte più sensibile, secondo i ricercatori che hanno combinato strumenti biologici standard con una svolta nella nanotecnologia.

L'aumento delle prestazioni potrebbe migliorare notevolmente la diagnosi precoce del cancro, Alzheimer e altri disturbi, consentendo ai medici di rilevare concentrazioni molto più basse di marcatori rivelatori rispetto a quanto precedentemente pratico.

La svolta coinvolge un test biologico comune chiamato test immunologico, che imita l'azione del sistema immunitario per rilevare la presenza di biomarcatori, le sostanze chimiche associate alle malattie. Quando i biomarcatori sono presenti nei campioni, come quelli presi dall'uomo, il test immunologico produce un bagliore fluorescente (luce) che può essere misurato in laboratorio. Maggiore è il bagliore, più del biomarcatore è presente. Però, se la quantità di biomarcatore è troppo piccola, la luce fluorescente è troppo debole per essere rilevata, impostazione del limite di rilevamento. Uno degli obiettivi principali della ricerca sui saggi immunologici è migliorare il limite di rilevazione.

I ricercatori di Princeton hanno affrontato questa limitazione utilizzando la nanotecnologia per amplificare notevolmente la debole fluorescenza di un campione. Modellando strutture in vetro e oro così piccole da poter essere viste solo con un potente microscopio elettronico, gli scienziati sono stati in grado di aumentare drasticamente il segnale di fluorescenza rispetto ai saggi immunologici convenzionali, portando a un miglioramento di 3 milioni di volte del limite di rilevabilità. Questo è, il test immunologico avanzato richiederebbe la presenza di 3 milioni di volte in meno di biomarcatori rispetto a un test immunologico convenzionale. (In termini tecnici, i ricercatori hanno misurato un miglioramento del limite di rilevamento da 0,9 nanomolari a 300 attomolari.)

"Questo progresso apre molte nuove ed entusiasmanti opportunità per i test immunologici e altri rivelatori, così come nella diagnosi precoce e nel trattamento delle malattie, " ha detto Stephen Chou, il professore di ingegneria Joseph C. Elgin, che ha guidato il gruppo di ricerca. "Per di più, il nuovo test è molto facile da usare, poiché per la persona che conduce il test, non ci sarà alcuna differenza rispetto al vecchio:fanno la procedura esattamente allo stesso modo."

I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati in due recenti articoli di riviste. Uno, pubblicato il 10 maggio su Nanotechnology, descrive la fisica e l'ingegneria del materiale che migliora la fluorescenza. L'altro, pubblicato il 20 aprile in Chimica Analitica, dimostra l'effetto nei saggi immunologici. Oltre a Cho, gli autori includono ricercatori post-dottorato Weihua Zhang, Liangcheng Zhou e Jonathan Hu e gli studenti laureati Fei Ding, Wei Ding, Wen-Di Li e Yuxuan Wang.

Il lavoro è stato finanziato dalla Defense Advanced Research Project Agency e dalla National Science Foundation.

La chiave della svolta risiede in un nuovo nanomateriale artificiale chiamato D2PA, che è stato sviluppato nel laboratorio di Chou per diversi anni. D2PA è un sottile strato di nanostrutture d'oro circondate da pilastri di vetro di appena 60 nanometri di diametro. (Un nanometro è un miliardesimo di metro; ciò significa circa 1, 000 dei pilastri affiancati sarebbero larghi quanto un capello umano.) I pilastri sono distanziati di 200 nanometri e ricoperti da un disco d'oro su ciascun pilastro. I lati di ogni pilastro sono punteggiati di puntini dorati ancora più piccoli di circa 10-15 nanometri di diametro. Nei lavori precedenti, Chou ha dimostrato che questa struttura unica aumenta la raccolta e la trasmissione della luce in modi insoliti - in particolare, un aumento di 1 miliardo di volte in un effetto chiamato dispersione Raman di superficie. Il lavoro attuale ora dimostra un gigantesco miglioramento del segnale con la fluorescenza.

In un tipico test immunologico, un campione come il sangue, la saliva o l'urina vengono prelevate da un paziente e aggiunte a piccole fiale di vetro contenenti anticorpi progettati per "catturare" o legarsi ai biomarcatori di interesse nel campione. Un altro set di anticorpi che sono stati etichettati con una molecola fluorescente viene quindi aggiunto alla miscela. Se i biomarcatori non sono presenti nelle fiale, gli anticorpi di rilevamento fluorescenti non si attaccano a nulla e vengono lavati via. La nuova tecnologia sviluppata a Princeton permette di vedere la fluorescenza quando pochissimi anticorpi trovano il loro segno.

Oltre agli usi diagnostici, i test immunologici sono comunemente usati nella scoperta di farmaci e in altre ricerche biologiche. Più generalmente, la fluorescenza svolge un ruolo significativo in altre aree della chimica e dell'ingegneria, dai display luminosi alla raccolta di energia solare, e il materiale D2PA potrebbe trovare usi in quei campi, disse Cho.

Come passi successivi nella sua ricerca, Chou ha detto che sta conducendo test per confrontare la sensibilità del test immunologico potenziato con D2PA con un test immunologico convenzionale nel rilevare i tumori al seno e alla prostata. Inoltre, sta collaborando con i ricercatori del Memorial Sloan-Kettering Cancer Center di New York per sviluppare test per rilevare le proteine ​​associate all'Alzheimer in una fase molto precoce.

"Puoi avere una diagnosi molto precoce con il nostro approccio, " Egli ha detto.