p O Instituto de Física e Tecnologia de Moscou (MIPT) está patenteando chips biossensores baseados em grafeno, óxido de grafeno e nanotubos de carbono que irão melhorar a análise de reações bioquímicas e acelerar o desenvolvimento de novos medicamentos. p O US Patent Office publicou recentemente o pedido de patente (no. US 2015/0301039), que foi protocolado pelo MIPT em maio deste ano e é intitulado "Sensor Biológico e um Método de Produção de Sensor Biológico." Na Rússia, este empreendimento já está protegido pela patente nº 2527699 com data de prioridade de 20 de fevereiro, 2013. A principal característica do sensor é o uso de uma camada de ligação para imobilização de biomoléculas que compreende uma fina película de grafeno ou óxido de grafeno.

p O grafeno é o primeiro cristal verdadeiramente bidimensional, que foi obtido experimentalmente e investigado quanto às suas propriedades físicas e químicas únicas. Em 2010, dois ex-alunos do MIPT, Andre Geim e Konstantin Novoselov, foram agraciados com o Prêmio Nobel de Física "por experimentos inovadores em relação ao grafeno material bidimensional". Houve agora um aumento considerável no número de estudos de pesquisa voltados para encontrar aplicações comerciais para o grafeno e outros materiais bidimensionais. Acredita-se que uma das aplicações mais promissoras do grafeno sejam as tecnologias biomédicas, que é o que pesquisadores do Laboratório de Nanoótica e Plasmônica do Centro de Excelência em Optoeletrônica em nanoescala do MIPT estão investigando atualmente.

p Biossensores sem etiqueta são relativamente novos em laboratórios bioquímicos e farmacêuticos, e tornaram o trabalho muito mais fácil. Os sensores permitem aos pesquisadores detectar baixas concentrações de substâncias moleculares biologicamente significativas (RNA, DNA, proteínas, incluindo anticorpos e antígenos, vírus e bactérias) e estudar suas propriedades químicas. Ao contrário de outros métodos bioquímicos, rótulos fluorescentes ou radioativos não são necessários para esses biossensores, o que torna mais fácil conduzir um experimento, e também reduz a probabilidade de dados errados devido aos efeitos que os rótulos têm nas reações bioquímicas. As principais aplicações desta tecnologia são em pesquisas farmacêuticas e científicas, diagnósticos médicos, controle de qualidade alimentar e detecção de toxinas. Os biossensores sem rótulo já provaram ser um método para obter os dados mais confiáveis ​​sobre farmacocinética e farmacodinâmica de medicamentos em estudos pré-clínicos. As vantagens deste método são explicadas pelo fato de que a cinética das reações bioquímicas do ligante (substância ativa) com diferentes alvos pode ser observada em tempo real, que permite aos pesquisadores obter dados mais precisos sobre as taxas de reação, o que não era possível anteriormente. Os dados obtidos fornecem informações sobre a eficácia de um medicamento e também sua toxicidade, se os alvos são células "saudáveis" ou suas partes, qual a droga, idealmente, não deve afetar.

p A maioria dos biossensores sem rótulo é baseada no uso de espectroscopia de ressonância de plasmon de superfície (SPR). Os parâmetros de "ressonância" dependem das propriedades da superfície a tal ponto que mesmo traços de substâncias "estranhas" podem afetá-los significativamente. Os biossensores são capazes de detectar um trilionésimo de grama de uma substância detectável em uma área de um milímetro quadrado.

p Dispositivos comerciais deste tipo são vendidos em um formato semelhante ao modelo de negócios "lâmina de barbear", que inclui um instrumento e consumíveis muito caros. O instrumento é o próprio biossensor, compreendendo ótica, microfluídica e eletrônica. Os consumíveis para biossensores são chips sensores compostos de um substrato de vidro, filme de ouro fino e uma camada de ligação para a adsorção de biomoléculas. Os chips sensores usam atualmente dois tipos de tecnologia de camada de ligação que foram desenvolvidos há mais de 20 anos e são baseados em uma camada de moléculas de tiol automontadas, ou uma camada de hidrogel (geralmente carboximetil dextrano). O lucro que as empresas receberam da venda de biossensores e consumíveis é distribuído uniformemente na proporção de 50:50.

p Os autores da patente, Aleksey Arsenin e Yury Stebunov, estão propondo uma alternativa aos chips sensores existentes para biossensores com base na ressonância de plasmão de superfície. Sob certas condições, o uso de grafeno ou óxido de grafeno como uma camada de ligação entre o filme de metal e uma camada biológica composta por alvos de moléculas é capaz de melhorar significativamente a sensibilidade de biodetecção. Os chips sensores de grafeno foram testados em biossensores Biacore T200 (General Electric Company) e BiOptix 104sa.

p O uso de chips sensores de óxido de grafeno para analisar reações de hibridização de DNA é descrito em detalhes em um artigo recente dos autores no jornal da American Chemical Society. Materiais e interfaces aplicados ACS . Além de um nível mais alto de sensibilidade do que produtos comerciais semelhantes, os chips sensores propostos possuem a propriedade necessária de bioespecificidade e podem ser usados ​​várias vezes, o que reduz muito os custos de realização de estudos bioquímicos usando os chips.

p O uso de grafeno aumenta a sensibilidade das análises conduzidas usando espectroscopia SPR mais de dez vezes, que vai revolucionar o campo da biodetecção farmacêutica. A aplicação de biossensores está atualmente limitada à análise de produtos biológicos baseados em grandes moléculas, enquanto mais da metade das drogas produzidas a cada ano têm baixo peso molecular (não mais do que algumas centenas de Daltons). A imobilização de alvos de drogas na superfície de um chip de grafeno permitirá aos cientistas testar a interação entre alvos e pequenas moléculas. Um exemplo disso poderia ser o desenvolvimento de drogas que atuam em receptores acoplados a proteínas G (GPCRs), que atualmente são metas para 40% dos medicamentos do mercado. Estudos farmacêuticos de drogas que atuam em GPCRs não são conduzidos atualmente usando SPR devido à sensibilidade insuficiente do método. Espera-se, portanto, que o uso de biossensores de grafeno em estudos farmacêuticos ajude a acelerar o desenvolvimento de medicamentos e superar doenças perigosas que não podem ser tratadas com os medicamentos atualmente no mercado farmacêutico.

p Os autores continuam a trabalhar para melhorar seu desenvolvimento e esperam que, para certas reações, Os chips biossensores baseados nos novos materiais de carbono fornecerão um nível de sensibilidade dezenas ou centenas de vezes maior do que produtos comerciais similares atualmente no mercado. Eles também estão considerando a possibilidade de comercializar chips de grafeno. Só em 2014, aproximadamente 10 bilhões de dólares americanos foram gastos em estudos pré-clínicos. De acordo com as estimativas, o mercado anual de chips biossensores vale um total de aproximadamente 300 milhões de dólares americanos. As excelentes propriedades dos chips biossensores de grafeno lhes permitirão competir fortemente com os tipos de chips existentes - até um terço de todo o mercado.