Si ritiene che l’invecchiamento della popolazione e la tendenza a condurre uno stile di vita più sedentario in molte parti del mondo aumentino drasticamente il numero di persone che vivono con molteplici patologie croniche. Inoltre, il cambiamento climatico, così come i cambiamenti nell'uso del territorio e negli spostamenti, continuano ad aumentare il rischio di malattie infettive che possono emergere e diffondersi a livello locale e globale.
Essere in grado di diagnosticare la presenza e il decorso di tutte queste malattie rappresenta rapidamente una sfida crescente per i sistemi sanitari, una sfida che può essere affrontata solo con l'aiuto di test diagnostici efficaci presso il punto di cura (POC) oltre l'ambulatorio medico e metodi medici avanzati. strutture.
I test POC hanno apportato numerosi benefici alle persone durante la pandemia di COVID-19, ma questo approccio deve diventare applicabile in modo molto più ampio e consentire a medici e pazienti di indagare più a fondo le condizioni patologiche. Le attuali tecnologie diagnostiche POC misurano solo un singolo biomarcatore della malattia o talvolta diversi biomarcatori appartenenti alla stessa classe di molecole, come diversi RNA, proteine o anticorpi.
Tuttavia, la misurazione di più biomarcatori di diverse classi molecolari potrebbe fornire informazioni più complete sullo stato in cui si trova una malattia, sulla sua gravità e progressione nel tempo e persino tenere conto delle differenze da persona a persona nel modo in cui si sviluppa.
I biosensori elettrochimici, che convertono un segnale chimico sotto forma di un biomarcatore presente in un piccolo campione di biofluido, come sangue, saliva o urina, in un segnale elettrico che corrisponde in intensità alla quantità rilevata del biomarcatore, potrebbero fornire la risposta a molti problemi diagnostici POC.
In linea di principio, più sensori per diverse molecole di biomarcatori possono essere combinati in serie di sensori multiplex e, cosa importante, la lotta contro il "biofouling", la rovina precedentemente inevitabile delle superfici degli elettrodi da parte di molecole biologiche non specifiche contenute nei campioni, è diventata evitabile grazie alla progettazione di i rivestimenti antivegetativi sottili sono stati sperimentati per la prima volta presso il Wyss Institute dell'Università di Harvard.
Ora, il gruppo di ricerca del Wyss Institute, insieme a diversi istituti coreani che hanno collaborato, ha compiuto un ulteriore passo avanti verso la sua più ampia applicazione attraverso il rilevamento diagnostico elettrochimico, sviluppando un nuovo rivestimento antivegetativo poroso nanocomposito che con uno spessore di un micrometro, il diametro di un batterio, che è circa 100 volte più spesso dei rivestimenti precedenti.
Lo spessore maggiore del rivestimento e una rete porosa ingegnerizzata al suo interno hanno consentito l'incorporazione di un numero molto più elevato di sonde per il rilevamento di biomarcatori nei sensori e, quindi, sensibilità fino a 17 volte superiori rispetto ai precedenti sensori migliori della categoria, fornendo allo stesso tempo capacità antivegetative superiori .
Nel loro studio di prova, i ricercatori hanno costruito sensori che combinavano la capacità di rilevare bersagli di biomarcatori di acido nucleico, antigene e anticorpo ospite specifici di COVID-19 in campioni clinici con elevata sensibilità e specificità. I loro risultati sono pubblicati su Nature Communications .
"Il nostro nuovo rivestimento in emulsione porosa e spessa affronta direttamente gli ostacoli critici che attualmente impediscono l'uso diffuso di sensori elettrochimici come componenti centrali della diagnostica POC completa per molte condizioni", ha affermato l'ultimo autore e direttore fondatore di Wyss Donald Ingber, M.D., Ph.D. .
"Tuttavia, andando ben oltre, potrebbe anche aprire nuove opportunità per lo sviluppo di dispositivi impiantabili più sicuri e più funzionali e altri sistemi di monitoraggio sanitario su molteplici fronti di malattie. Il superamento del biofouling e dei problemi di sensibilità sono sfide che influiscono su molti di questi sforzi."
Ingber è anche Judah Folkman Professor di Biologia Vascolare presso la Harvard Medical School e il Boston Children's Hospital e Hansjörg Wyss Professor di Bioinspired Engineering presso la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.
Nel 2019, il progetto sui sensori elettrochimici del Wyss Institute ha pubblicato il suo primo documento fondamentale in cui veniva segnalato il primo rivestimento antivegetativo con capacità di biorilevamento senza precedenti.
In una serie di studi critici di follow-up, il team ha ampliato il potenziale del rilevamento elettrochimico facendo avanzare ulteriormente la nanochimica dei rivestimenti per rendere gli elettrodi ancora più sensibili ai biomarcatori, aggiungendo importanti capacità di multiplexing e sviluppando metodi di fabbricazione che riducono i costi.
I biosensori più avanzati progettati dal team nella piattaforma eRapid di Wyss avevano un set di funzionalità che ne sta già consentendo la traduzione in alcuni contesti clinici.
Tuttavia, il metodo di rivestimento utilizzato dal team esponeva l'intero chip del sensore alla soluzione nanocomposita e consentiva solo la formazione di un rivestimento relativamente sottile di circa 10 nanometri sull'intera superficie del sensore, il che limitava la funzionalità dei sensori in diversi modi.
Ad esempio, il diametro sottile del rivestimento limitava la quantità massima di sonda che poteva essere caricata al suo interno, il che diventa particolarmente critico nei sensori multiplex più grandi che devono ancora funzionare con piccoli volumi di campione e ancora di più negli sforzi per miniaturizzare i sensori multiplex per il loro utilizzo nei dispositivi diagnostici POC portatili.
"In questo nuovo studio, abbiamo trovato una soluzione completamente nuova a questo problema che ha prodotto un rivestimento 100 volte più spesso. Il nostro nuovo approccio sfrutta un metodo di stampa a getto d'inchiostro che ci consente di applicare questo rivestimento spesso localmente al singolo sensore elementi", ha affermato Pawan Jolly, Ph.D., ex scienziato senior del Wyss, che ha avuto un ruolo determinante nell'evoluzione della piattaforma eRapid.
"Ciò apre nuove possibilità:in primo luogo, possiamo includere quantità molto più elevate di sonde per il rilevamento di biomarcatori nel rivestimento e, in futuro, i sensori in array complessi potranno essere indirizzati individualmente applicando loro prodotti chimici nanocompositi specificamente orientati verso specifici modalità dei biomarcatori."
Invece di immergere letteralmente gli elettrodi elettrochimici in una soluzione di rivestimento, come facevano per la precedente generazione di sensori, i ricercatori hanno stampato sugli elettrodi uno strato di una densa emulsione olio in acqua attraverso un ugello sottile. Dopo l'evaporazione delle minuscole bolle d'olio, sulla superficie dell'elettrodo rimaneva un rivestimento spesso 1 micrometro costituito da molecole polimeriche reticolate dell'albumina proteica del sangue e contenente pori interconnessi e nanofili d'oro conduttori di elettroni.
"La rete porosa in questo rivestimento nanocomposito aumenta notevolmente la superficie che può essere utilizzata per collegare sonde di rilevamento di biomarcatori appositamente progettate e che allo stesso tempo è accessibile ai fluidi campione. Di conseguenza, la sensibilità di rilevamento è notevolmente aumentata." ha spiegato il primo autore Jeong-Chan Lee, Ph.D., un membro post-dottorato del team di Ingber.
"Inoltre, la stampa degli ugelli ci consente di modellare l'emulsione esclusivamente sull'elettrodo di lavoro che rileva il biomarcatore, mantenendone libero l'elettrodo di riferimento vicino contenuto in ciascun sensore, il che riduce il rumore elettrico non specifico e migliora la specificità delle nostre misurazioni."
Il team ha riproposto una combinazione precedentemente sviluppata di reagenti di rilevamento per tre biomarcatori correlati a COVID-19 per modellare una serie di elettrodi del sensore utilizzando la loro tecnologia di rivestimento di nuova concezione:un sensore abilitato a CRISPR per un RNA SARS-CoV-2, un sensore specifico per un antigene del capside SARS-CoV-2 e un sensore per un anticorpo ospite diretto dal virus.
Testato con una raccolta di campioni di pazienti, il nuovo sensore ha prodotto sensibilità di rilevamento migliorate da 3,75 a 17 volte rispetto a un precedente fabbricato con gli stessi sistemi di rilevamento e il miglior rivestimento non poroso e molto più sottile del team. Ha inoltre distinto i campioni positivi da quelli negativi con un'accuratezza (specificità) del 100%.
"I sensori elettrochimici con questo rivestimento di prossima generazione sarebbero ideali per monitorare le epidemie virali, le risposte alle vaccinazioni e comprendere le correlazioni tra i vari biomarcatori nel corso delle infezioni virali e, in futuro, potrebbero essere utilizzati anche per altre malattie", ha detto Lee.
Ulteriori informazioni: Jeong-Chan Lee et al, Rivestimento nanocomposito poroso e spesso un micrometro per sensori elettrochimici con eccezionali proprietà antivegetative ed elettroconduttrici, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-44822-1
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dall'Università di Harvard
