La capacità di individuare le malattie in una fase precoce o addirittura di prevederne l’insorgenza sarebbe di enorme beneficio sia per i medici che per i pazienti. Un gruppo di ricerca guidato dalla dottoressa Larysa Baraban presso l'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) sviluppa dispositivi e sistemi biosensori intelligenti e miniaturizzati che utilizzano nanomateriali per determinare biomolecole e cellule, nonché reazioni o processi biochimici come marcatori di malattie.
L'attuale pubblicazione del team in Biosensors and Bioelectronics descrive lo sviluppo di un sistema di test portatile, grande quanto un palmo di mano, in grado di eseguire simultaneamente fino a 32 analisi di un campione.
Esistono varie possibilità e meccanismi per rilevare gli agenti patogeni nei fluidi corporei. Un'opzione che Baraban studia presso l'HZDR-Institute of Radiopharmaceutical Cancer Research è il rilevamento utilizzando transistor a effetto di campo (FET) dal regno dell'elettronica.
Il principio di funzionamento è semplice:una corrente elettrica definita scorre da A a B. Questa corrente può essere regolata dal potenziale elettrico sulla superficie di un cancello, che funziona come una valvola precisa e continua.
Le biomolecole rilevanti per la malattia si legano alla superficie del cancello e quindi modificano il potenziale elettrico e quindi anche la corrente. Se non si verificano cambiamenti significativi nella corrente, nessuna biomolecola si è legata alla superficie del sensore. D'altra parte, un cambiamento nella corrente significa che sulla superficie del sensore possono essere rilevate molecole correlate alla malattia.
Questi biosensori possono essere progettati per rilevare specificamente diverse biomolecole. Diversi agenti patogeni causano potenziali elettrici diversi e quindi correnti diverse. Le cellule tumorali causano correnti diverse rispetto, ad esempio, al virus dell'influenza.
Lo svantaggio principale dei tradizionali biosensori elettronici basati su FET è che le superfici di test non sono riutilizzabili e l'intero transistor deve essere scartato dopo ogni campionamento. Poiché i transistor contengono materiali semiconduttori costosi, questo processo è costoso e dannoso per l'ambiente.
Per questo motivo, Baraban e il suo Dipartimento di Nano-Microsistemi per le Scienze della Vita sono andati oltre e hanno tentato di misurare i potenziali cambiamenti non direttamente sulla superficie del transistor, ma su un elettrodo separato collegato al gate del transistor. "Questo ci offre l'opportunità di utilizzare il transistor più volte. Separiamo il gate e lo chiamiamo 'gate esteso', ovvero un'estensione del sistema di test."
Ma non è tutto. Il team ha pensato ancora più avanti e ha accettato un'altra sfida. "Naturalmente vorremmo che questo sistema effettui più analisi contemporaneamente." I ricercatori sono riusciti a sviluppare cancelli estesi con 32 test pad. Baraban spiega:"Ciò significa che un campione può essere testato simultaneamente su ciascuno dei tamponi per un diverso agente patogeno."
Gli scienziati hanno innanzitutto dimostrato il principio di funzionamento utilizzando l'interleuchina-6 (IL-6), una molecola responsabile della comunicazione tra le cellule immunitarie. "Che si tratti di un semplice raffreddore o di un cancro, la concentrazione di IL-6 cambia. Diverse malattie così come diversi stadi di una malattia producono quadri clinici diversi. Ecco perché IL-6 è molto adatto come marcatore."
Per rendere il metodo ancora più sensibile, il team di Baraban ha utilizzato anche le nanostrutture. Le nanoparticelle concentrano o localizzano la carica per amplificare il segnale di tensione.
"La sensibilità dei test è notevolmente più elevata rispetto a quando lavoriamo senza nanoparticelle." Poiché sul mercato sono ora disponibili kit di nanoparticelle già pronti per la ricerca, questo metodo è semplice da usare. Gli scienziati dell’HZDR stanno attualmente lavorando con nanoparticelle d’oro. In futuro vorrebbero studiare anche altre nanoparticelle.
Come risultato della ricerca attuale è stato creato un sistema di test pratico e funzionale, composto da un transistor e trentadue test pad, con il quale è possibile rilevare diversi agenti patogeni in un periodo di tempo molto breve.
In futuro il sistema di test descritto potrebbe essere utilizzato, ad esempio, per monitorare l'andamento delle immunoterapie nei pazienti affetti da cancro. Un'altra possibilità sarebbe quella di prevedere la gravità e il decorso di una malattia virale come l'influenza o il COVID-19 fin dall'inizio.
Rispetto alle tecnologie esistenti, il nuovo sistema è più economico e più veloce. Per questo motivo Baraban e il suo team sperano ora nell'interesse del settore commerciale.
Ulteriori informazioni: Željko Janićijević et al, Metodi standard di riferimento nella millifluidica clinica, biosensore a transistor a effetto di campo con gate esteso multiplexato con nanoantenne in oro come amplificatori di segnale, Biosensori e bioelettronica (2023). DOI:10.1016/j.bios.2023.115701
Informazioni sul giornale: Biosensori e bioelettronica
Fornito dall'Associazione Helmholtz dei centri di ricerca tedeschi
