I ricercatori della Duke University hanno sviluppato un tipo unico di nanoparticella chiamata "nanorattle" che migliora notevolmente la luce emessa dall'interno del suo guscio esterno.

Caricato con coloranti a diffusione della luce chiamati reporter Raman comunemente usati per rilevare i biomarcatori di malattie nei campioni organici, l'approccio può amplificare e rilevare segnali da tipi separati di nanosonde senza la necessità di una macchina costosa o di un professionista medico per leggere i risultati.

In un piccolo studio proof-of-concept, i nanorattles hanno identificato accuratamente i tumori della testa e del collo attraverso un dispositivo point-of-care abilitato all'intelligenza artificiale che potrebbe rivoluzionare il modo in cui questi tumori e altre malattie vengono rilevati in aree a scarse risorse per migliorare la salute globale.

I risultati sono apparsi online il 2 settembre nel Journal of Raman Spectroscopy .

"Il concetto di intrappolare i giornalisti Raman in questi cosiddetti nanorattles è già stato fatto in precedenza, ma la maggior parte delle piattaforme ha avuto difficoltà a controllare le dimensioni interne", ha affermato Tuan Vo-Dinh, R. Eugene e Susie E. Goodson Distinguished Professor of Biomedical Engineering presso Duca.

"Il nostro gruppo ha sviluppato un nuovo tipo di sonda con uno spazio sintonizzabile con precisione tra il nucleo interno e il guscio esterno, che ci consente di caricare più tipi di giornalisti Raman e amplificare la loro emissione di luce chiamata dispersione Raman con superficie migliorata", Vo-Dinh detto.

Per realizzare i nanorattle, i ricercatori iniziano con una sfera d'oro massiccio larga circa 20 nanometri. Dopo aver fatto crescere uno strato di argento attorno al nucleo d'oro per creare una sfera (o cubo) più grande, usano un processo di corrosione chiamato sostituzione galvanica che svuota l'argento, creando un guscio simile a una gabbia attorno al nucleo. La struttura viene quindi immersa in una soluzione contenente giornalisti Raman caricati positivamente, che vengono attirati nella gabbia esterna dal nucleo d'oro caricato negativamente. Gli scafi esterni sono poi ricoperti da uno strato d'oro estremamente sottile per bloccare all'interno i giornalisti Raman.

Il risultato è una nanosfera (o nanocubo) larga circa 60 nanometri con un'architettura che ricorda un sonaglio:un nucleo d'oro intrappolato all'interno di un guscio esterno argento-oro più grande. Il divario tra i due è solo di pochi nanometri, abbastanza grande da adattarsi ai giornalisti Raman.

Queste strette tolleranze sono essenziali per controllare il miglioramento del segnale Raman prodotto dai nanorattles.

Quando un laser brilla sui nanorattles, viaggia attraverso il guscio esterno estremamente sottile e colpisce i giornalisti Raman all'interno, facendoli emettere luce propria. A causa della vicinanza delle superfici del nucleo d'oro e del guscio esterno oro/argento, il laser eccita anche gruppi di elettroni sulle strutture metalliche, chiamati plasmoni. Questi gruppi di elettroni creano un campo elettromagnetico estremamente potente dovuto all'interazione dei plasmoni dell'architettura del nucleo metallico, un processo chiamato accoppiamento plasmonico, che amplifica la luce emessa dai giornalisti Raman milioni di volte.

"Una volta che i nanorattles funzionavano, volevamo realizzare dispositivi di biorilevamento per rilevare malattie infettive o tumori prima ancora che le persone sapessero di essere malate", ha detto Vo-Dinh. "Con la potenza del potenziamento del segnale dei nanorattles, abbiamo pensato di poter fare un semplice test che potesse essere facilmente letto da chiunque si trovasse al point-of-care."

Nel nuovo articolo, Vo-Dinh e i suoi collaboratori applicano la tecnologia nanorattle a un dispositivo lab-on-a-stick in grado di rilevare i tumori della testa e del collo, che compaiono ovunque tra le spalle e il cervello, tipicamente nella bocca, nel naso e gola. Il tasso di sopravvivenza per questi tumori è oscillato tra il 40 e il 60 percento per decenni. Sebbene queste statistiche siano migliorate negli ultimi anni negli Stati Uniti, sono peggiorate in contesti con risorse limitate, dove i fattori di rischio come il fumo, il consumo di alcol e la masticazione delle noci di betel sono molto più prevalenti.

"In contesti con risorse limitate, questi tumori si presentano spesso in stadi avanzati e danno risultati scarsi in parte a causa di apparecchiature per esami limitate, mancanza di operatori sanitari qualificati e programmi di screening essenzialmente inesistenti", ha affermato Walter Lee, professore di testa e collo chirurgia e scienze della comunicazione e radioterapia oncologica presso Duke, e un collaboratore alla ricerca.

"Avere la capacità di rilevare precocemente questi tumori dovrebbe portare a un trattamento precoce e a un miglioramento dei risultati, sia in termini di sopravvivenza che di qualità della vita", ha affermato Lee. "Questo approccio è entusiasmante poiché non dipende dalla revisione di un patologo e potenzialmente potrebbe essere utilizzato nel punto di cura."

Il dispositivo prototipo utilizza sequenze genetiche specifiche che agiscono come velcro per i biomarcatori che i ricercatori stanno cercando, in questo caso un mRNA specifico che è eccessivamente abbondante nelle persone con tumori della testa e del collo. Quando l'mRNA in questione è presente, agisce come un laccio che lega i nanorattle alle sfere magnetiche. Queste perline vengono quindi concentrate e tenute in posizione da un altro magnete mentre tutto il resto viene risciacquato. I ricercatori possono quindi utilizzare un dispositivo portatile semplice ed economico per cercare la luce emessa dai nanorattle per vedere se sono stati rilevati biomarcatori.

Negli esperimenti, il test ha determinato se 20 campioni provenissero o meno da pazienti affetti da cancro alla testa e al collo con una precisione del 100%. Gli esperimenti hanno anche dimostrato che la piattaforma nanorattle è in grado di gestire più tipi di nanosonde, grazie a un algoritmo di apprendimento automatico in grado di separare i segnali separati, il che significa che possono prendere di mira più biomarcatori contemporaneamente. Questo è l'obiettivo dell'attuale progetto del gruppo finanziato dal National Institutes of Health.

"Molti biomarcatori di mRNA sono eccessivamente abbondanti in più tipi di cancro, mentre altri biomarcatori possono essere utilizzati per valutare il rischio del paziente e l'esito futuro del trattamento", ha affermato Vo-Dinh. "Rilevare più biomarcatori contemporaneamente ci aiuterebbe a differenziare tra i tumori e anche a cercare altri marcatori prognostici come il papillomavirus umano (HPV) e controlli sia positivi che negativi. La combinazione del rilevamento dell'mRNA con il nuovo biosensing di nanorattle si tradurrà in un cambio di paradigma nel raggiungimento uno strumento diagnostico che potrebbe rivoluzionare il modo in cui questi tumori e altre malattie vengono rilevati in aree a scarse risorse". + Esplora ulteriormente

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