L'Istituto di Fisica e Tecnologia di Mosca (MIPT) sta brevettando chip biosensori a base di grafene, ossido di grafene e nanotubi di carbonio che miglioreranno l'analisi delle reazioni biochimiche e accelereranno lo sviluppo di nuovi farmaci.

L'Ufficio Brevetti degli Stati Uniti ha recentemente pubblicato la domanda di brevetto (n. US 2015/0301039), che è stato depositato dal MIPT nel maggio di quest'anno ed è intitolato "Sensore biologico e metodo di produzione del sensore biologico". In Russia, questo sviluppo è già protetto dal brevetto n. 2527699 con data di priorità 20 febbraio, 2013. La caratteristica chiave del sensore è l'uso di uno strato di collegamento per l'immobilizzazione di biomolecole comprendente un film sottile di grafene o ossido di grafene.

Il grafene è il primo vero cristallo bidimensionale, che è stato ottenuto sperimentalmente e studiato per quanto riguarda le sue proprietà chimiche e fisiche uniche. Nel 2010, due ex studenti del MIPT, André Geim e Konstantin Novoselov, sono stati insigniti del Premio Nobel per la Fisica "per gli esperimenti pionieristici riguardanti il ​​materiale bidimensionale grafene". Ora c'è stato un notevole aumento del numero di studi di ricerca volti a trovare applicazioni commerciali per il grafene e altri materiali bidimensionali. Si pensa che una delle applicazioni più promettenti per il grafene siano le tecnologie biomediche, che è ciò che stanno attualmente studiando i ricercatori del Laboratorio di Nanoottica e Plasmonica presso il Centro di Eccellenza per l'Optoelettronica su Nanoscala del MIPT.

I biosensori senza etichetta sono relativamente nuovi nei laboratori biochimici e farmaceutici, e hanno reso il lavoro molto più semplice. I sensori consentono ai ricercatori di rilevare basse concentrazioni di sostanze molecolari biologicamente significative (RNA, DNA, proteine, compresi anticorpi e antigeni, virus e batteri) e studiarne le proprietà chimiche. A differenza di altri metodi biochimici, non sono necessarie etichette fluorescenti o radioattive per questi biosensori, che rende più facile condurre un esperimento, e riduce anche la probabilità di dati errati a causa degli effetti che le etichette hanno sulle reazioni biochimiche. Le principali applicazioni di questa tecnologia sono nella ricerca farmaceutica e scientifica, diagnostica medica, controllo della qualità degli alimenti e rilevamento delle tossine. I biosensori senza etichetta si sono già dimostrati un metodo per ottenere i dati più affidabili sulla farmacocinetica e sulla farmacodinamica dei farmaci negli studi preclinici. I vantaggi di questo metodo sono spiegati dal fatto che la cinetica delle reazioni biochimiche del ligando (principio attivo) con diversi bersagli può essere osservata in tempo reale, che consente ai ricercatori di ottenere dati più accurati sulle velocità di reazione, cosa che prima non era possibile. I dati ottenuti forniscono informazioni sull'efficacia di un farmaco e anche sulla sua tossicità, se i bersagli sono cellule "sane" o loro parti, quale la droga, idealmente, non dovrebbe influire.

La maggior parte dei biosensori privi di etichetta si basa sull'uso della spettroscopia di risonanza plasmonica di superficie (SPR). I parametri di "risonanza" dipendono dalle proprietà della superficie a tal punto che anche tracce di sostanze "estranee" possono influenzarli in modo significativo. I biosensori sono in grado di rilevare un trilionesimo di grammo di una sostanza rilevabile in un'area di un millimetro quadrato.

I dispositivi commerciali di questo tipo sono venduti in un formato simile al modello di business "lama di rasoio", che include uno strumento e materiali di consumo molto costosi. Lo strumento è il biosensore stesso, composto da ottiche, microfluidica ed elettronica. I materiali di consumo per i biosensori sono chip di sensori costituiti da un substrato di vetro, sottile film d'oro e uno strato di collegamento per l'adsorbimento di biomolecole. I chip dei sensori attualmente utilizzano due tipi di tecnologia dello strato di collegamento che sono stati sviluppati più di 20 anni fa e si basano su uno strato di molecole di tiolo autoassemblate, o uno strato di idrogel (di solito carbossimetil destrano). Il profitto che le aziende hanno ricevuto dalla vendita di biosensori e materiali di consumo è equamente distribuito con un rapporto di 50:50.

Gli autori del brevetto, Aleksey Arsenin e Yury Stebunov, stanno proponendo un'alternativa ai chip sensore esistenti per biosensori basati sulla risonanza plasmonica di superficie. A determinate condizioni, l'uso del grafene o dell'ossido di grafene come strato di collegamento tra film metallico e uno strato biologico composto da bersagli molecolari è in grado di migliorare significativamente la sensibilità del biorilevamento. I chip del sensore in grafene sono stati testati su biosensori Biacore T200 (General Electric Company) e BiOptix 104sa.

L'uso di chip sensore di ossido di grafene per analizzare le reazioni di ibridazione del DNA è descritto in dettaglio in un recente articolo degli autori sulla rivista dell'American Chemical Society Materiali e interfacce applicati ACS . Oltre a un livello di sensibilità più elevato rispetto a prodotti commerciali simili, i chip sensore proposti possiedono la proprietà richiesta di biospecificità e possono essere utilizzati più volte, che riduce notevolmente i costi di conduzione di studi biochimici utilizzando i chip.

L'uso del grafene aumenta di oltre dieci volte la sensibilità delle analisi condotte utilizzando la spettroscopia SPR, che rivoluzionerà il campo della biorilevazione farmaceutica. L'applicazione dei biosensori è attualmente limitata all'analisi di prodotti biologici basati su grandi molecole, mentre più della metà dei farmaci prodotti ogni anno hanno un basso peso molecolare (non più di qualche centinaio di Dalton). L'immobilizzazione di bersagli farmacologici sulla superficie di un chip di grafene consentirà agli scienziati di testare l'interazione tra bersagli e piccole molecole. Un esempio di ciò potrebbe essere lo sviluppo di farmaci che agiscono su recettori accoppiati a proteine ​​G (GPCR), che sono attualmente gli obiettivi per il 40% dei farmaci sul mercato. Gli studi farmaceutici di farmaci che agiscono sui GPCR non sono attualmente condotti utilizzando SPR a causa dell'insufficiente sensibilità del metodo. Si prevede quindi che l'uso di biosensori al grafene negli studi farmaceutici aiuterà ad accelerare lo sviluppo di farmaci e a superare malattie pericolose che non possono essere trattate con i farmaci attualmente sul mercato farmaceutico.

Gli autori stanno continuando a lavorare per migliorare il loro sviluppo e si aspettano che per determinate reazioni, i chip biosensori basati sui nuovi materiali in carbonio forniranno un livello di sensibilità decine o centinaia di volte superiore rispetto a prodotti commerciali simili attualmente sul mercato. Stanno anche valutando la possibilità di commercializzare chip di grafene. Solo nel 2014 circa 10 miliardi di dollari USA sono stati spesi per studi preclinici. Secondo le stime, il mercato annuale dei chip di biosensori vale complessivamente circa 300 milioni di dollari USA. Le eccellenti proprietà dei chip di biosensori al grafene consentiranno loro di competere fortemente con i tipi di chip esistenti, fino a un terzo dell'intero mercato.