Il lieve riscaldamento dei fogli di ossido di grafene consente di legare particolari composti alla superficie dei fogli, mostra un nuovo studio. Questi composti a loro volta selezionano e si legano a specifiche molecole di interesse, compreso DNA e proteine, o anche cellule intere. In questa immagine l'ossido di grafene trattato a destra è quasi due volte più efficiente nel catturare le cellule rispetto al materiale non trattato a sinistra.
Una singola cella può contenere una grande quantità di informazioni sulla salute di un individuo. Ora, un nuovo metodo sviluppato al MIT e alla National Chiao Tung University potrebbe consentire di catturare e analizzare singole cellule da un piccolo campione di sangue, potenzialmente portando a sistemi diagnostici a bassissimo costo che potrebbero essere utilizzati quasi ovunque.
Il nuovo sistema, a base di fogli di ossido di grafene appositamente trattati, alla fine potrebbe portare a una varietà di dispositivi semplici che potrebbero essere prodotti per un minimo di $ 5 ciascuno ed eseguire una serie di test diagnostici sensibili anche in luoghi lontani dalle tipiche strutture mediche.
Il materiale utilizzato in questa ricerca è una versione ossidata della forma bidimensionale di carbonio puro nota come grafene, oggetto da oltre un decennio di ricerca diffusa per le sue peculiari caratteristiche meccaniche ed elettriche. La chiave del nuovo processo è il riscaldamento dell'ossido di grafene a temperature relativamente miti. Questa ricottura a bassa temperatura, come è noto, permette di legare particolari composti alla superficie del materiale. Questi composti a loro volta selezionano e si legano a specifiche molecole di interesse, compreso DNA e proteine, o anche cellule intere. Una volta catturato, quelle molecole o cellule possono quindi essere sottoposte a una serie di test.
I risultati sono riportati sulla rivista ACS Nano in un articolo scritto da Neelkanth Bardhan, un postdoc del MIT, e Priyank Kumar PhD '15, ora postdoc all'ETH di Zurigo; Angela Belcher, il James Mason Crafts Professor in ingegneria biologica e scienza e ingegneria dei materiali al MIT e membro del Koch Institute for Integrative Cancer Research; Jeffrey Grossman, il Morton e Claire Goulder e il Professore di Famiglia in Sistemi Ambientali al MIT; Hidde L. Ploegh, un professore di biologia e membro del Whitehead Institute for Biomedical Research; Guan Yu Chen, un assistente professore in ingegneria biomedica presso la National Chiao Tung University di Taiwan; e Zeyang Li, uno studente di dottorato al Whitehead Institute.
Altri ricercatori hanno cercato di sviluppare sistemi diagnostici utilizzando un substrato di ossido di grafene per catturare cellule o molecole specifiche, ma questi approcci usavano solo il grezzo, materiale non trattato. Nonostante un decennio di ricerche, altri tentativi di migliorare l'efficienza di tali dispositivi si sono basati su modifiche esterne, come la modellazione della superficie attraverso tecniche di fabbricazione litografica, o aggiungendo canali microfluidici, che si aggiungono al costo e alla complessità. La nuova scoperta offre una produzione di massa, approccio a basso costo per ottenere tali miglioramenti in termini di efficienza.
Il processo di riscaldamento modifica le proprietà superficiali del materiale, facendo raggruppare insieme gli atomi di ossigeno, lasciando spazi di nudo grafene tra di loro. Ciò rende relativamente facile attaccare altri prodotti chimici alla superficie, che possono interagire con specifiche molecole di interesse. La nuova ricerca dimostra come quel processo di base potrebbe potenzialmente consentire una suite di sistemi diagnostici a basso costo, ad esempio per lo screening del cancro o il follow-up del trattamento.
Per questo test di prova, il team ha utilizzato molecole in grado di catturare in modo rapido ed efficiente cellule immunitarie specifiche che sono marcatori di alcuni tipi di cancro. Sono stati in grado di dimostrare che le loro superfici trattate con ossido di grafene erano quasi due volte più efficaci nel catturare tali cellule dal sangue intero, rispetto ai dispositivi fabbricati utilizzando normali, ossido di grafene non trattato, dice Bardhan, l'autore principale del documento.
Il sistema ha anche altri vantaggi, dice Bardhan. Consente una rapida cattura e valutazione di cellule o biomolecole in condizioni ambientali entro circa 10 minuti e senza la necessità di refrigerazione di campioni o incubatori per un controllo preciso della temperatura. E l'intero sistema è compatibile con i metodi di produzione su larga scala esistenti, rendendo possibile la produzione di dispositivi diagnostici per meno di $ 5 ciascuno, la squadra stima. Tali dispositivi potrebbero essere utilizzati nei test point-of-care o in contesti con risorse limitate.
I metodi esistenti per il trattamento dell'ossido di grafene per consentire la funzionalizzazione della superficie richiedono trattamenti ad alta temperatura o l'uso di prodotti chimici aggressivi, ma il nuovo sistema che il gruppo ha brevettato, non richiede alcun pretrattamento chimico e una temperatura di ricottura di soli 50-80 gradi Celsius (122-176 F).
Mentre il metodo di elaborazione di base del team potrebbe rendere possibile un'ampia varietà di applicazioni, comprese le celle solari e i dispositivi emettitori di luce, per questo lavoro i ricercatori si sono concentrati sul miglioramento dell'efficienza della cattura di cellule e biomolecole che possono poi essere sottoposte a una serie di test. Lo hanno fatto rivestendo enzimaticamente la superficie dell'ossido di grafene trattato con peptidi chiamati nanocorpi, subunità di anticorpi, che possono essere prodotti in grandi quantità in bioreattori a basso costo e facilmente e sono altamente selettivi per particolari biomolecole.
I ricercatori hanno scoperto che l'aumento del tempo di ricottura aumentava costantemente l'efficienza della cattura cellulare:dopo nove giorni di ricottura, l'efficienza della cattura di cellule dal sangue intero è passata dal 54 percento, per ossido di grafene non trattato, al 92 per cento per il materiale trattato.
Il team ha quindi eseguito simulazioni di dinamica molecolare per comprendere i cambiamenti fondamentali nella reattività del materiale a base di ossido di grafene. I risultati della simulazione, che il team ha anche verificato sperimentalmente, suggerito che dopo la ricottura, la frazione relativa di un tipo di ossigeno (carbonile) aumenta a scapito degli altri tipi di gruppi funzionali dell'ossigeno (epossidico e ossidrile) a causa del raggruppamento di ossigeno. Questo cambiamento rende il materiale più reattivo, il che spiega la maggiore densità di agenti di cattura cellulare e una maggiore efficienza della cattura cellulare.
"L'efficienza è particolarmente importante se stai cercando di rilevare un evento raro, " Dice Belcher. "L'obiettivo era quello di mostrare un'elevata efficienza di cattura." Il passo successivo dopo questa dimostrazione di base, lei dice, è cercare di creare un rilevatore funzionante per un modello di malattia specifico.
In linea di principio, Bardhan dice, molti test diversi potrebbero essere incorporati su un singolo dispositivo, tutto ciò potrebbe essere posizionato su un piccolo vetrino come quelli usati per la microscopia.
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.
