Fisici e ingegneri della Case Western Reserve University hanno sviluppato un sensore ottico, basati su metamateriali nanostrutturati, è 1 milione di volte più sensibile del migliore attualmente disponibile, in grado di identificare una singola molecola leggera in una soluzione altamente diluita.

Il loro obiettivo:fornire agli oncologi un modo per rilevare una singola molecola di un enzima prodotto dalle cellule tumorali circolanti. Tale rilevamento potrebbe consentire ai medici di diagnosticare i pazienti con determinati tipi di cancro molto prima di quanto sia possibile oggi, monitorare il trattamento e la resistenza e altro ancora.

"La prognosi di molti tumori dipende dallo stadio del tumore alla diagnosi" ha detto Giuseppe "Pino" Strangi, professore di fisica alla Case Western Reserve e leader della ricerca.

"Molto presto, la maggior parte delle cellule tumorali circolanti esprime proteine ​​a bassissimo peso molecolare, meno di 500 Dalton, "Spiega Strangi. "Queste proteine ​​di solito sono troppo piccole e in una concentrazione troppo bassa per essere rilevate con i metodi di prova attuali, dando risultati falsi negativi.

"Con questa piattaforma, abbiamo rilevato proteine ​​di 244 Dalton, che dovrebbe consentire ai medici di rilevare i tumori prima, non sappiamo ancora quanto prima, " ha detto. "Questa piattaforma di biosensori può aiutare a sbloccare la prossima era di rilevamento iniziale del cancro".

I ricercatori ritengono che la tecnologia di rilevamento sarà utile anche per diagnosticare e monitorare altre malattie.

La loro ricerca è pubblicata online sulla rivista Materiali della natura . È stato un fantastico lavoro di squadra, disse Strango. Ha lavorato con i ricercatori post-dottorato Kandammathee Valiyaveedu Sreekanth e Efe Ilker, Dottorandi Yunus Alapan e Mohamed ElKabbash, Assistente Professore di Fisica Michael Hinczewski, Assistant Professor di Ingegneria Aerospaziale e Meccanica Umut Gurkan (co-PI) e Antonio De Luca, che è stato ricercatore in visita nel laboratorio di Strangi durante questo studio ed è ora professore associato di fisica presso l'Università della Calabria in Italia.

La scienza

Il nanosensore, che sta nel palmo di una mano, agisce come un setaccio biologico, isolando una piccola molecola proteica che pesa meno di 800 quadrilionesimi di nanogrammo da una soluzione estremamente diluita.

Per rendere il dispositivo così sensibile, Il team di Strangi ha dovuto affrontare due barriere di vecchia data:le onde luminose non possono rilevare oggetti più piccoli delle proprie dimensioni fisiche, che vanno fino a circa mezzo micron. E le molecole in soluzioni diluite fluttuano nel moto browniano ed è improbabile che atterrino sulla superficie del sensore.

Sfruttando gli strumenti della nanotecnologia e accoppiando un canale microfluidico con un materiale ingegnerizzato chiamato metamateriale, lo scienziato ha superato i limiti.

Il canale microfluidico limita la capacità delle molecole di galleggiare e le guida verso l'area di rilevamento sulla superficie del metamateriale.

Il metamateriale è costituito da un totale di 16 strati nanostrutturati di oro riflettente e conduttivo e ossido di alluminio trasparente, un dielettrico, ogni 10s di atomi di spessore. La luce diretta su e attraverso gli strati è concentrata in un volume molto piccolo molto più piccolo della lunghezza d'onda della luce.

Lo strato superiore d'oro è perforato con fori, creando un reticolo che diffonde la luce splendente sulla superficie in due dimensioni.

La luce in arrivo, che è di diverse centinaia di nanometri di lunghezza d'onda, sembra essere confinato e concentrato in pochi nanometri all'interfaccia tra l'oro e lo strato dielettrico.

Quando la luce colpisce l'area di rilevamento, eccita gli elettroni liberi facendoli oscillare e generando un'onda superficiale che si propaga molto confinata, chiamato polaritone plasmonico di superficie. Questa onda di superficie che si propaga ecciterà a sua volta un'onda di massa che si propaga attraverso la piattaforma di rilevamento. La presenza delle onde provoca profondi avvallamenti nello spettro della luce riflettente.

La combinazione e l'interazione delle onde plasmoniche di superficie e di massa sono ciò che rende il sensore così sensibile. disse Strango. Eccitando queste onde attraverso gli otto doppi strati del metamateriale, creano modalità di risonanza straordinariamente nitide.

Risonanze estremamente nitide e sensibili possono essere utilizzate per rilevare oggetti più piccoli.

"È estremamente sensibile, " disse Strangi. "Quando una piccola molecola atterra sulla superficie, si traduce in una grande modifica locale, facendo spostare la luce."

Il potenziale

A seconda delle dimensioni della molecola, la luce riflettente sposta quantità diverse. I ricercatori sperano di imparare a identificare molecole specifiche, iniziando con biomarcatori per diversi tipi di cancro, dai loro spostamenti di luce.

Per aggiungere specificità al sensore, il team ha aggiunto uno strato di molecole trap, che sono molecole che si legano specificamente con le molecole che cacciano.

Nei test, i ricercatori hanno utilizzato molecole di trappola per catturare due diverse biomolecole:albumina di siero bovino, con un peso molecolare di 66, 430 Dalton, e biotina, con un peso molecolare di 244 Dalton. Ciascuno ha prodotto un cambiamento di luce caratteristico.

Altri ricercatori hanno riferito di utilizzare biosensori basati su plasmoni per rilevare la biotina in soluzioni a concentrazioni che vanno da più di 100 micromoli per litro a 10 micromoli per litro. Questo dispositivo si è dimostrato 1 milione di volte più sensibile, trovare e identificare la biotina ad una concentrazione di 10 picomoli per litro.

Test e implicazioni

A Cleveland, Strangi e Nima Sharifi, dottore, co-leader del Genitourinary Cancer Program per il Case Comprehensive Cancer Center, hanno iniziato a testare il sensore con proteine ​​legate ai tumori della prostata.

"Per alcuni tipi di cancro, come il cancro del colon-retto e del pancreas, la diagnosi precoce è essenziale, " ha detto Sharifi, che è anche il presidente della famiglia Kendrick per la ricerca sul cancro alla prostata presso la Cleveland Clinic. "Il rilevamento ad alta sensibilità delle proteine ​​​​specifiche del cancro nel sangue dovrebbe consentire il rilevamento dei tumori quando sono in una fase iniziale della malattia.

"Questa nuova tecnologia di rilevamento può aiutarci non solo a rilevare i tumori, ma quale sottogruppo di cancro, cosa sta guidando la sua crescita e diffusione e a cosa è sensibile, " disse. "Il sensore, Per esempio, può aiutarci a determinare i marcatori di tumori alla prostata aggressivi, che richiedono trattamenti, o forme indolenti che non lo fanno."

Il laboratorio di Strangi sta lavorando con altri oncologi in tutto il mondo per testare il dispositivo e iniziare a spostare il sensore verso l'uso clinico.

"Consideriamo questo solo l'inizio della nostra ricerca, " Egli ha detto.