I sensori elettrochimici portatili fanno parte della routine quotidiana di milioni di persone con diabete in tutto il mondo che monitorano i livelli di zucchero nel sangue con glucometri elettrici. Mentre tali sensori hanno rivoluzionato i test medici a domicilio per i diabetici, non sono ancora stati applicati con successo alla diagnosi di altre condizioni. Sensori come i glucometri rilevano il glucosio nel sangue in base all'attività di un enzima, e c'è solo un numero limitato di enzimi che possono essere usati per rilevare i biomarcatori della malattia umana. È stata studiata una strategia di rilevamento alternativa basata su eventi di legame tra gli anticorpi e i loro bersagli molecolari per espandere l'uso di sensori elettrochimici per la medicina, ma questi sensori sono vittime del rapido accumulo di sostanze "sporche" dai fluidi biologici sulle loro superfici conduttive, che li disattivano. I rivestimenti antivegetativi esistenti sono difficili da produrre in serie, soffrono di problemi di qualità e coerenza, e non sono molto efficaci.

Ora, una nuova tecnologia di piattaforma diagnostica sviluppata dai ricercatori del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering dell'Università di Harvard, nota come "eRapid", consente la creazione di dispositivi elettrochimici portatili in grado di rilevare contemporaneamente un'ampia gamma di biomarcatori con elevata sensibilità e selettività in fluidi biologici complessi, usando anche una sola goccia di sangue. La tecnologia è descritta nell'ultimo numero di Nanotecnologia della natura .

"Finché esiste un anticorpo per una determinata molecola bersaglio, eRapid può rilevarlo, " ha detto il co-autore Pawan Jolly, dottorato di ricerca, un ricercatore senior presso il Wyss Institute. "Risolvendo il problema del biofouling con un design semplice ma robusto, ora siamo in grado di produrre facilmente sensori biochimici in serie per un'ampia varietà di applicazioni a basso costo."

La sfida nello sviluppo del rivestimento antivegetativo era prevenire l'accumulo di sostanze fuori bersaglio sugli elettrodi metallici del sensore pur mantenendo la loro conduttività per consentire il rilevamento del bersaglio. Dopo aver sperimentato diverse ricette, il team di ricerca ha sviluppato un semplice, poroso, Matrice 3-D costituita da sieroalbumina bovina (BSA) reticolata con glutaraldeide e supportata da una rete di nanomateriali conduttori, come nanofili d'oro o nanotubi di carbonio. La piccola dimensione dei pori della matrice BSA esclude le proteine ​​che si trovano nel sangue e nel plasma, e la debole carica negativa del BSA impedisce la forte adesione di biomolecole caricate positivamente al sensore.

Quando i ricercatori hanno testato i loro sensori rivestiti di nanomateriali nel siero e nel plasma del sangue umano, hanno mantenuto più del 90% della loro capacità di rilevare il segnale anche dopo essere stati conservati per un mese in quei biofluidi, considerando che i sensori rivestiti con i migliori rivestimenti antivegetativi pubblicati in precedenza hanno perso una significativa sensibilità al segnale quando incubati per un'ora, e sono stati completamente inattivati ​​dopo un giorno.

Per funzionalizzare i sensori rivestiti, i ricercatori hanno attaccato gli anticorpi alla superficie del rivestimento di nanomateriale sopra l'elettrodo, e ha utilizzato un "saggio a sandwich" per convertire l'evento di legame dell'anticorpo in un segnale chimico che precipita sulla superficie dell'elettrodo, generando così un segnale elettrico. L'entità del segnale elettrico è direttamente correlata alla quantità di precipitato prodotto, e quindi al numero di molecole bersaglio legate agli anticorpi, permettendo di misurare la concentrazione del bersaglio.

Il team ha dimostrato l'utilità commerciale di questo approccio creando un sensore multiplex con tre elettrodi separati, ciascuno rivestito con la matrice di nanofili di BSA/oro e uno strato di anticorpi contro una specifica molecola bersaglio clinicamente rilevante:interleuchina 6 (IL6), insulina, o glucagone. Quando hanno incubato il sensore con le rispettive molecole bersaglio nel plasma umano non diluito, hanno osservato segnali elettrici eccellenti con sensibilità picogrammo per mL. Al contrario, elettrodi rivestiti con un rivestimento antivegetativo "PEG-SAM" pubblicato non sono riusciti a produrre segnali distinti, indicando che erano stati irreversibilmente contaminati da molecole fuori bersaglio in campioni di plasma umano. Inoltre, i sensori rivestiti in BSA/nanofilo d'oro possono essere lavati e riutilizzati più volte con una perdita di segnale minima, consentendo il monitoraggio seriale dei biomarcatori facilmente e a basso costo.

Da allora, il team di Wyss è stato in grado di rilevare più di una dozzina di diversi biomarcatori che vanno da 100 Da a 150, 000 Da di dimensioni con eRapid, e stanno continuando a sperimentare nanomateriali conduttivi per ottimizzare il rivestimento degli elettrodi e le prestazioni del sistema, oltre a ridurre ulteriormente i costi. Stanno esplorando attivamente le opzioni di commercializzazione per eRapid nello spazio diagnostico palmare point-of-care, ma sperano anche di estendere la piattaforma tecnologica di rivestimento e sensori ad altri obiettivi e contesti, compresa la diagnostica ospedaliera, rilevamento di tossine ambientali, rilevamento di piccole molecole, e dispositivi medici impiantabili.

interessante, il team, guidato dal direttore fondatore del Wyss Institute, Donald Ingber, M.D., dottorato di ricerca - non si era originariamente proposto con questo obiettivo in mente. Questo lavoro è iniziato perché avevano bisogno di rilevare simultaneamente più biomolecole prodotte da vari tipi di cellule tissutali che crescono all'interno di Organis-on-Chips umani per valutare in modo non invasivo la loro funzione e lo stato infiammatorio nel tempo. Il piccolo volume di liquidi in uscita dai canali dei chip necessitava di sensori altamente sensibili che potevano anche essere multiplexati, che ha portato alla creazione della tecnologia attuale.

"eRapid è emerso dal perseguire un'innovazione che ha portato a un'altra che ha il potenziale per trasformare la diagnostica medica. Si spera, questa semplice tecnologia consentirà grandi progressi nella nostra capacità di sviluppare dispositivi diagnostici portatili che possono essere utilizzati a casa, oltre che in farmacia, ambulanze, studi medici, e pronto soccorso nel prossimo futuro, " ha affermato Ingber, che è anche Judah Folkman Professor of Vascular Biology presso la Harvard Medical School e il Vascular Biology Program presso il Boston Children's Hospital, e professore di bioingegneria presso la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences di Harvard.