p A microplaca com vários poços, há muito uma ferramenta padrão em pesquisas biomédicas e laboratórios de diagnóstico, poderia se tornar uma coisa do passado graças à nova tecnologia de biossensor eletrônico desenvolvida por uma equipe de engenheiros de microeletrônica e cientistas biomédicos do Instituto de Tecnologia da Geórgia. p Basicamente, arranjos de minúsculos tubos de ensaio, as microplacas têm sido usadas há décadas para testar simultaneamente várias amostras quanto às suas respostas a produtos químicos, organismos vivos ou anticorpos. Fluorescência ou mudanças de cor em marcadores associados a compostos nas placas podem sinalizar a presença de proteínas ou sequências de genes particulares.

p Os pesquisadores esperam substituir essas microplacas por tecnologia microeletrônica moderna, incluindo matrizes descartáveis ​​contendo milhares de sensores eletrônicos conectados a poderosos circuitos de processamento de sinal. Se eles forem bem-sucedidos, esta nova plataforma de biossensor eletrônico pode ajudar a realizar o sonho da medicina personalizada, tornando possível o diagnóstico de doenças em tempo real - potencialmente em um consultório médico - e ajudando a selecionar abordagens terapêuticas individualizadas.

p “Esta tecnologia pode ajudar a facilitar uma nova era da medicina personalizada, ”Disse John McDonald, cientista-chefe de pesquisa do Ovarian Cancer Institute em Atlanta e professor da Georgia Tech School of Biology. “Um dispositivo como este poderia detectar rapidamente em indivíduos as mutações genéticas indicativas de câncer e então determinar qual seria o tratamento ideal. Existem muitas aplicações potenciais para isso que não podem ser feitas com a tecnologia analítica e de diagnóstico atual. ”

p Fundamental para o novo sistema de biossensor é a capacidade de detectar eletronicamente marcadores que diferenciam entre células saudáveis ​​e doentes. Esses marcadores podem ser diferenças nas proteínas, mutações no DNA ou mesmo níveis específicos de íons que existem em diferentes quantidades nas células cancerosas. Os pesquisadores estão encontrando cada vez mais diferenças como essas que podem ser exploradas para criar técnicas de detecção eletrônica rápidas e baratas que não dependem de rótulos convencionais.

p “Reunimos várias peças novas de tecnologia nanoeletrônica para criar um método para fazer as coisas de uma maneira muito diferente do que temos feito, ”Disse Muhannad Bakir, professor associado da Escola de Engenharia Elétrica e da Computação da Georgia Tech. “O que estamos criando é uma nova plataforma de detecção de uso geral que aproveita o melhor da nanoeletrônica e da integração do sistema eletrônico tridimensional para modernizar e adicionar novos aplicativos ao antigo aplicativo de microplaca. Este é um casamento de eletrônica e biologia molecular. ”

p As matrizes de sensores tridimensionais são fabricadas usando convencionais de baixo custo, tecnologia microeletrônica de cima para baixo. Embora os sistemas de preparação e carregamento de amostras existentes possam ter que ser modificados, as novas matrizes de biossensores devem ser compatíveis com os fluxos de trabalho existentes nos laboratórios de pesquisa e diagnóstico.

p “Queremos tornar esses dispositivos simples de fabricar, aproveitando todos os avanços feitos na microeletrônica, embora, ao mesmo tempo, não altere significativamente a usabilidade para o clínico ou pesquisador, ”Disse Ramasamy Ravindran, um assistente de pesquisa de pós-graduação no Centro de Pesquisa em Nanotecnologia da Georgia Tech e na Escola de Engenharia Elétrica e de Computação.

p A principal vantagem da plataforma é que a detecção será feita usando baixo custo, componentes descartáveis, enquanto o processamento da informação será feito por circuitos integrados convencionais reutilizáveis ​​conectados temporariamente ao array. Conectores compatíveis mecanicamente semelhantes a molas de densidade ultra-alta e “vias de silício” avançadas farão as conexões elétricas enquanto permitem que os técnicos substituam os conjuntos de biossensores sem danificar o circuito subjacente.

p Separar as porções de detecção e processamento permite que a fabricação seja otimizada para cada tipo de dispositivo, observa Hyung Suk Yang, um assistente de pesquisa de pós-graduação também trabalhando no Centro de Pesquisa em Nanotecnologia. Sem a separação, os tipos de materiais e processos que podem ser usados ​​para fabricar os sensores são severamente limitados.

p A sensibilidade dos minúsculos sensores eletrônicos pode muitas vezes ser maior do que os sistemas atuais, potencialmente permitindo que doenças sejam detectadas mais cedo. Como os poços de amostra serão substancialmente menores do que os das microplacas atuais - permitindo um fator de forma menor - eles podem permitir que mais testes sejam feitos com um determinado volume de amostra.

p A tecnologia também pode facilitar o uso de detecção baseada em ligante que reconhece sequências genéticas específicas no DNA ou RNA mensageiro. “Isso nos daria muito rapidamente uma indicação das proteínas que estão sendo expressas por aquele paciente, que nos dá conhecimento do estado da doença no ponto de atendimento, ”Explicou Ken Scarberry, um pós-doutorado no laboratório do McDonald's.

p Até aqui, os pesquisadores demonstraram um sistema de biossensor com sensores de nanofio de silício em um dispositivo de 16 poços construído em um chip de um centímetro por um centímetro. Os nanofios, apenas 50 por 70 nanômetros, diferenciada entre células de câncer de ovário e células epiteliais de ovário saudáveis ​​em uma variedade de densidades celulares.

p A tecnologia de sensor de nanofio de silício pode ser usada para detectar simultaneamente um grande número de diferentes células e biomateriais sem rótulos. Além dessa tecnologia versátil, a plataforma de biossensor pode acomodar uma ampla gama de outros sensores - incluindo tecnologias que podem não existir ainda. Em última análise, centenas de milhares de sensores diferentes podem ser incluídos em cada chip, o suficiente para detectar rapidamente marcadores para uma ampla gama de doenças.

p “Nossa ideia de plataforma é realmente independente do sensor, ”Disse Ravindran. “Ele poderia ser usado com vários sensores diferentes que as pessoas estão desenvolvendo. Isso nos daria a oportunidade de reunir muitos tipos diferentes de sensores em um único chip. ”

p Mutações genéticas podem levar a um grande número de diferentes estados de doença que podem afetar a resposta de um paciente à doença ou medicação, mas os métodos de detecção rotulados atuais são limitados em sua capacidade de detectar um grande número de marcadores diferentes simultaneamente.

p Mapeamento de polimorfismos de nucleotídeo único (SNPs), variações que respondem por aproximadamente 90 por cento da variação genética humana, pode ser usado para determinar a propensão de um paciente para uma doença, ou sua probabilidade de se beneficiar de uma determinada intervenção. A nova tecnologia de biossensor pode permitir que os cuidadores produzam e analisem mapas SNP no ponto de atendimento.

p Embora muitos desafios técnicos permaneçam, a capacidade de rastrear milhares de marcadores de doenças em tempo real entusiasmou cientistas biomédicos como McDonald.

p “Com sensores suficientes lá, você poderia teoricamente colocar todas as combinações possíveis na matriz, " ele disse. “Isso não foi considerado possível até agora porque fazer um array grande o suficiente para detectá-los todos com a tecnologia atual provavelmente não é viável. Mas com a tecnologia microeletrônica, você pode incluir facilmente todas as combinações possíveis, e isso muda as coisas. ”

p Os artigos que descrevem o dispositivo de biossensor foram apresentados na Conferência de Componentes Eletrônicos e Tecnologia e na Conferência Internacional de Tecnologia de Interconexão em junho de 2010.