Os biossensores medem a concentração de moléculas em amostras biológicas para fins biomédicos, de Meio Ambiente, e aplicações industriais, e, idealmente, eles devem fornecer tempo real, dados contínuos. Contudo, o monitoramento contínuo de pequenas moléculas em baixas concentrações é problemático. Pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Eindhoven desenvolveram uma abordagem de detecção inovadora com base em semelhanças moleculares. Isso pode ser crucial em biossensores futuros para monitorar a saúde e as doenças.

O campo dos biossensores tem uma história rica e inventiva. O "pai dos biossensores" é visto por muitos como Leland C. Clark Jr., que projetou um sensor para medir o oxigênio no sangue no início dos anos 1960.

Contudo, como acontece em trabalhos pioneiros, as coisas não começaram como ele esperava. Seus projetos iniciais de sensor falharam porque os componentes do sangue afetaram o eletrodo sensor.

A solução de Clark foi separar o eletrodo e o sangue por uma embalagem de celofane de um maço de cigarros, que provou ser a solução necessária para medir de forma confiável o oxigênio no sangue. Um excelente exemplo de ser criativo e inovador em laboratório!

Avance para 2020, e pesquisadores dos Departamentos de Engenharia Biomédica e Física Aplicada da TU / e estão demonstrando inventividade semelhante quando se trata de detectar moléculas de baixa massa de interesse.

Em um artigo publicado em Sensores ACS , Junhong Yan, Menno Prins, e colegas apresentam uma nova abordagem que pode medir continuamente a concentração de moléculas de baixa massa de interesse em amostras biológicas com base em biossensor por mobilidade de partículas (BPM).

"Nossa abordagem é uma plataforma para futuros biossensores monitorarem continuamente marcadores associados a condições pessoais de saúde, como insuficiência renal ou hepática, "diz Yan.

Biossensores 101

Os biossensores existentes normalmente fornecem um único resultado de medição de uma única amostra biológica. A amostra pode ser sangue, suor, urina, ou saliva, e o resultado pode ser o nível de uma proteína, um hormônio, uma droga, ou um vírus na amostra.

Contudo, seria melhor se os sensores dessem um fluxo contínuo de dados, em vez de apenas um único ponto de dados, porque isso permitiria a um indivíduo monitorar como uma condição médica se desenvolve ao longo do tempo.

O único biossensor contínuo que está atualmente disponível comercialmente é o Monitor de Glicose Contínua (CGM), que mede continuamente a glicose no fluido cutâneo intersticial, o que é muito útil para pessoas com diabetes. Infelizmente, outras moléculas além da glicose ainda não podem ser medidas continuamente. Isso representa uma oportunidade significativa para inovação em sensores!

Cada biossensor consiste em três partes principais - um componente molecular que envolve um bioreceptor que pode se ligar à molécula de interesse, um princípio de transdução que converte o reconhecimento molecular em um sinal detectável, e um sistema de detecção que registra o sinal e apresenta a resposta como um número, gráfico, som, ou indicação luminosa para ser facilmente interpretada pelo usuário.

"Neste trabalho, nos concentramos na primeira parte - desenvolver um princípio molecular para medir continuamente as moléculas de interesse com baixa massa molecular e baixa concentração, "diz Prins.

Molecular sósias

O sensor projetado por Yan, Prins, e a equipe adotou o uso de sósias moleculares ou versões falsas das moléculas de interesse.

Então, como essas moléculas parecidas ajudam na detecção das moléculas reais? Menno Prins explica mais:"A superfície do sensor é revestida com anticorpos que podem se ligar às moléculas de interesse. Quando não há moléculas no fluido de teste, as moléculas semelhantes são livres para se ligar aos anticorpos. Contudo, quando há moléculas de interesse no fluido, estes podem se ligar aos anticorpos. Como resultado, os sósias são liberados de sua ligação aos anticorpos. "

As moléculas parecidas não se movem livremente ao redor do sensor como as moléculas de interesse fazem em um fluido de teste. Essas moléculas parecidas estão ligadas a uma micropartícula, que é amarrado à superfície do sensor usando DNA para que a alternância entre os estados ligado e não ligado possa ser detectada.

Vinculação é a chave

A operação da plataforma de detecção é bastante simples, e brilhante, deve ser dito. Todos os eventos de ligação molecular são projetados para serem reversíveis. Isso inclui a ligação entre anticorpos e sósias, e a ligação entre os anticorpos e as moléculas de interesse em solução.

Ocorrem eventos de ligação e desligamento repetidos envolvendo as moléculas semelhantes ou as moléculas de interesse em um fluido, e esses eventos podem ser facilmente medidos usando microscopia óptica, registrando o estado da micropartícula.

Quando há uma alta concentração das moléculas de interesse em uma solução, então, a maioria dos anticorpos na superfície do sensor são bloqueados. Isso reduz o potencial para as micropartículas mudarem para um estado ligado. Por outro lado, quando a concentração é baixa, então, muitas trocas ocorrem entre os estados ligado e não ligado devido às ligações reversíveis das semelhanças moleculares.

"A detecção de eventos de ligação e desligamento de um grande número de partículas causados ​​por interações moleculares específicas é a chave para a tecnologia, nos permitindo medir pequenas mudanças de concentração molecular no fluido, "diz Yan.

Testes de aprovação e próximas etapas

Para testar sua nova abordagem, os autores projetaram sensores para monitorar as concentrações de fragmentos curtos de DNA de fita simples e de creatinina. As concentrações foram monitoradas ao longo de horas, com uma resolução de tempo de alguns minutos.

A creatinina é uma molécula metabólica com uma pequena massa de apenas 113 Dalton que é um marcador da função renal. O marcador pode ser medido na faixa clinicamente relevante entre 10 μM e 10 mM. O DNA de fita simples pode ser medido entre 10 nM e 1 μM.

"Esses resultados são muito promissores e demonstram que pequenas moléculas podem ser monitoradas continuamente em uma ampla gama de concentrações. Nosso próximo objetivo é demonstrar a tecnologia para uma ampla variedade de moléculas e fluidos biológicos, para habilitar aplicações futuras na área de saúde, e em processos industriais e monitoramento ambiental ”, afirma Prins.

Esta abordagem de detecção inovadora pode muito bem resolver problemas com a detecção de biomarcadores de baixa massa molecular para nossas necessidades futuras de biossensores.

Embora a abordagem seja um pouco mais sofisticada do que o uso de invólucro de celofane em um eletrodo, é bem provável que o falecido Leland C. Clark Jr. tivesse ficado impressionado.