p Muitas condições médicas com risco de vida, como sepse, que é desencadeada por patógenos transmitidos pelo sangue, não pode ser detectado com precisão e rapidez o suficiente para iniciar o curso correto de tratamento. Em pacientes que foram infectados por um patógeno desconhecido e evoluem para sepse evidente, cada hora adicional em que um antibiótico eficaz não pode ser administrado aumenta significativamente a taxa de mortalidade, então o tempo é de extrema essência. p O desafio de diagnosticar rapidamente a sepse origina-se do fato de que medir apenas um biomarcador muitas vezes não permite um diagnóstico claro. Os engenheiros têm lutado por décadas para quantificar simultaneamente vários biomarcadores no sangue total com alta especificidade e sensibilidade para aplicações de diagnóstico de ponto de atendimento (POC), pois isso evitaria etapas de processamento de sangue demoradas e caras nas quais moléculas de biomarcadores informativos poderiam ser perdidas. .

p Agora, uma equipe multidisciplinar no Instituto Wyss de Engenharia Inspirada na Biologia de Harvard e na Universidade de Bath, REINO UNIDO, liderado pelo Diretor Fundador da Wyss, Donald Ingber, M.D., Ph.D., e o cientista sênior da equipe de Wyss, Pawan Jolly, Ph.D., desenvolveu ainda mais a tecnologia eRapid do Instituto como um baseado em afinidade, plataforma de sensor de diagnóstico eletroquímico de baixo custo para a detecção multiplexada de biomarcadores clinicamente relevantes no sangue total. O dispositivo usa um novo revestimento de superfície à base de nanocompósito de grafeno e demonstrou detectar com precisão três biomarcadores de sepse diferentes simultaneamente. As descobertas são relatadas em Materiais Funcionais Avançados .

p "Neste estudo, Demos um passo importante no sentido de implantar nossa plataforma de sensores eletroquímicos em ambientes clínicos para a detecção rápida e sensível de vários analitos em sangue total humano. Como o revestimento nanocompósito que desenvolvemos aqui é barato, tem o potencial de revolucionar o diagnóstico de ponto de atendimento, não apenas para testar biomarcadores de sepse, mas uma gama muito mais ampla de biomarcadores que podem ser multiplexados em conjuntos para relatar os estados de muitas doenças e condições, "disse Ingber, que também é líder da plataforma Bioinspired Therapeutics and Diagnostics do Wyss Institute, e o Professor Judah Folkman de Biologia Vascular na Harvard Medical School e no Boston Children's Hospital, e Professor de Bioengenharia do SEAS.

p Ingber, Jolly e sua equipe Wyss também estão desenvolvendo sensores eletroquímicos eRapid com o revestimento nanocompósito à base de grafeno recentemente projetado como um componente crítico de um diagnóstico de ponto de atendimento para COVID, traumatismo crâniano, infarto do miocárdio, e muitos outros distúrbios.

p Ao desenvolver sua tecnologia de detecção de sepse eletroquímica, A equipe de Ingber se baseou em um trabalho anterior publicado em Nature Nanotechnology , no qual eles resolveram o problema de "incrustação biológica" com elementos sensores eletroquímicos com sua tecnologia eRapid. Em teoria, Os biossensores eletroquímicos seriam preferidos para muitas aplicações clínicas devido à sua capacidade de quantificar o conteúdo de amostras biológicas convertendo diretamente o evento de ligação de um biomarcador em um sinal eletrônico, seu baixo consumo de energia e custo, e fácil integração com leitores de diagnóstico. Contudo, especialmente ao usar sangue total, muitos componentes do sangue se ligam de forma não específica aos revestimentos de superfície dos eletrodos dos sensores e levam à sua degradação, bem como ruído elétrico na forma de sinais falsos.

p A tecnologia eRapid da equipe usa um novo revestimento nanocompósito anti-incrustante para eletrodos aos quais os reagentes de ligação são anexados para capturar moléculas de biomarcadores de pequenas quantidades de sangue e outros fluidos biológicos complexos. Ao detectar quimicamente qualquer uma dessas moléculas biomarcadoras com alta sensibilidade e seletividade, a plataforma eRapid gera um sinal elétrico nos eletrodos que se correlaciona em força com os níveis de moléculas alvo que são detectados. O revestimento nanocompósito inicial permitiu excelente conversão de sinais químicos em elétricos, e contou com minúsculos nanofios de ouro eletricamente condutores que foram incorporados em uma matriz de uma proteína reticulada conhecida como albumina de soro bovino. Contudo, os altos custos dos materiais de ouro foram a principal barreira para a comercialização do eRapid para aplicações clínicas.

p "Em nossa versão avançada eRapid, substituímos os nanofios de ouro do revestimento por nanoflocos de óxido de grafeno que também têm propriedades anti-incrustantes e eletroquímicas, mas são muito mais baratos e permitem medições ainda mais sensíveis. Na verdade, os custos de fabricação do nanocompósito foram reduzidos a uma fração de seu custo original, que junto com a velocidade da tecnologia de detecção, eficiência, e a versatilidade deve permitir que a plataforma eRapid tenha impacto comercial imediato, "disse Jolly.

p Após otimizar e caracterizar seu revestimento nanocompósito em ensaios de ligação para a citocina inflamatória interleucina 6, a equipe aplicou no diagnóstico de sepse. Essencialmente, anexando uma molécula de anticorpo ao revestimento que liga a procalcitonina (PCT), e adicionar um segundo anticorpo específico de PCT ao complexo que está ligado a uma enzima, um precipitado é formado a partir de um substrato químico e depositado no revestimento. Isso muda a corrente de elétrons que atingem o eletrodo, e ajuda a registrar o evento de ligação PCT como um sinal eletrônico.

p "Demonstramos que este elemento sensor eletroquímico pode detectar PCT com alta precisão em sangue total, e validou-o quantificando os níveis de PCT em 21 amostras clínicas, comparando-o diretamente com um ensaio ELISA convencional - com excelente correlação, "disse o primeiro autor Uroš Zupančič, que foi um professor visitante no grupo de Ingber da Universidade de Bath. Zupančič é um Ph.D. candidato orientado pelos co-autores do estudo, Despina Moschou, Ph.D., um professor da Universidade de Bath, e Pedro Estrela, Ph.D., Professor associado e chefe do Centro de Biossensores, Bioeletrônica e Biodispositivos na Universidade.

p A equipe então estendeu sua abordagem para detectar simultaneamente vários biomarcadores de sepse, também projetando elementos sensores para a proteína C reativa, outro biomarcador de sepse, e padrões moleculares associados a patógenos (PAMPs). O elemento sensor PAMP em particular aproveita a tecnologia de captura de patógenos de amplo espectro do Wyss Institute que usa uma proteína geneticamente modificada chamada FcMBL, que liga mais de 100 patógenos diferentes de todas as classes, bem como moléculas em suas superfícies que são liberadas no sangue quando os patógenos são mortos (PAMPs) e atuam para desencadear a cascata da sepse.

p "Montar três elementos sensores eletroquímicos dedicados para biomarcadores que podem estar presentes no sangue em concentrações muito diferentes em um único chip representou um desafio significativo. No entanto, os três elementos no sensor final exibiram respostas específicas dentro da faixa clinicamente significativa sem interferir uns com os outros, e eles fizeram isso com um tempo de resposta de 51 minutos, que atende a necessidade clínica de diagnóstico de sepse na primeira hora, "disse Zumpančič.

p Para tornar a tecnologia eRapid atual ainda mais eficaz e útil para a análise de amostras clínicas, a equipe o integrou a um sistema microfluídico que retira o elemento humano envolvido no manuseio do sensor no laboratório, e aumenta o número de eventos de ligação de biomarcador em sua superfície. Isso permite que a análise de biomarcadores com o sistema seja automatizada, e permitiu aos pesquisadores diminuir o tempo de resposta para medir a PCT para 7 minutos.