p Físicos e engenheiros da Case Western Reserve University desenvolveram um sensor óptico, com base em metamateriais nanoestruturados, que é 1 milhão de vezes mais sensível do que o melhor disponível atualmente - capaz de identificar uma única molécula leve em uma solução altamente diluída. p Seu objetivo:fornecer aos oncologistas uma maneira de detectar uma única molécula de uma enzima produzida pelas células cancerosas circulantes. Tal detecção pode permitir aos médicos diagnosticar pacientes com certos tipos de câncer muito mais cedo do que é possível hoje, monitore o tratamento e a resistência e muito mais.

p "O prognóstico de muitos cânceres depende do estágio do câncer no momento do diagnóstico", disse Giuseppe "Pino" Strangi, professor de física da Case Western Reserve e líder da pesquisa.

p "Muito cedo, a maioria das células tumorais circulantes expressa proteínas de peso molecular muito baixo, menos de 500 Daltons, "Strangi explicou." Essas proteínas são geralmente muito pequenas e em uma concentração muito baixa para serem detectadas com os métodos de teste atuais, produzindo resultados falsos negativos.

p "Com esta plataforma, detectamos proteínas de 244 Daltons, o que deve permitir que os médicos detectem o câncer mais cedo - não sabemos quanto antes ainda, ", disse ele." Esta plataforma de biossensor pode ajudar a desbloquear a próxima era de detecção inicial do câncer. "

p Os pesquisadores acreditam que a tecnologia de detecção também será útil no diagnóstico e monitoramento de outras doenças.

p A pesquisa deles é publicada online no jornal Materiais da Natureza . Foi um trabalho de equipe incrível, Strangi disse. Ele trabalhou com os pesquisadores de pós-doutorado Kandammathee Valiyaveedu Sreekanth e Efe Ilker, Estudantes de doutorado Yunus Alapan e Mohamed ElKabbash, Professor Assistente de Física Michael Hinczewski, Professor Assistente de Engenharia Aeroespacial e Mecânica Umut Gurkan (co-PI) e Antonio De Luca, que foi pesquisador visitante no laboratório de Strangi durante este estudo e agora é professor associado de física na Universidade da Calábria, na Itália.

p A ciência

p O nanossensor, que cabe na palma da mão, age como uma peneira biológica, isolar uma pequena molécula de proteína pesando menos de 800 quatrilionésimos de nanograma de uma solução extremamente diluída.

p Para tornar o dispositivo tão sensível, A equipe de Strangi enfrentou duas barreiras de longa data:As ondas de luz não podem detectar objetos menores do que suas próprias dimensões físicas, que variam até cerca de meio mícron. E as moléculas em soluções diluídas flutuam em movimento browniano e dificilmente pousarão na superfície do sensor.

p Aproveitando ferramentas de nanotecnologia e acoplando um canal microfluídico a um material de engenharia denominado metamaterial, o cientista superou os limites.

p O canal microfluídico restringe a capacidade das moléculas de flutuar e as leva para a área de detecção na superfície do metamaterial.

p O metamaterial é feito de um total de 16 camadas nanoestruturadas de ouro reflexivo e condutor e óxido de alumínio transparente, um dielétrico, cada 10s de átomos de espessura. A luz direcionada para e através das camadas é concentrada em um volume muito pequeno, muito menor do que o comprimento de onda da luz.

p A camada superior de ouro é perfurada com orifícios, criando uma grade que difunde a luz brilhou na superfície em duas dimensões.

p A luz que entra, que tem várias centenas de nanômetros de comprimento de onda, parece estar confinado e concentrado em alguns nanômetros na interface entre o ouro e a camada dielétrica.

p Conforme a luz atinge a área de detecção, ele excita os elétrons livres, fazendo-os oscilar e gerar uma onda superficial de propagação altamente confinada, chamado de polariton de plasma de superfície. Esta onda superficial de propagação, por sua vez, excitará uma onda volumosa que se propaga através da plataforma de detecção. A presença das ondas causa quedas profundas e agudas no espectro de luz refletida.

p A combinação e a interação das ondas de plasmon de superfície e de plasmon em massa são o que torna o sensor tão sensível. Strangi disse. Ao excitar essas ondas através das oito bicamadas do metamaterial, eles criam modos ressonantes notavelmente nítidos.

p Ressonâncias extremamente nítidas e sensíveis podem ser usadas para detectar objetos menores.

p "É extremamente sensível, "Disse Strangi." Quando uma pequena molécula pousa na superfície, resulta em uma grande modificação local, fazendo com que a luz se desloque. "

p O potencial

p Dependendo do tamanho da molécula, a luz refletida muda em diferentes quantidades. Os pesquisadores esperam aprender a identificar moléculas específicas, começando com biomarcadores para diferentes tipos de câncer, por suas mudanças de luz.

p Para adicionar especificidade ao sensor, a equipe adicionou uma camada de moléculas armadilha, que são moléculas que se ligam especificamente às moléculas que perseguem.

p Em testes, os pesquisadores usaram moléculas de armadilha para capturar duas biomoléculas diferentes:albumina sérica bovina, com um peso molecular de 66, 430 Daltons, e biotina, com um peso molecular de 244 Daltons. Cada um produziu uma mudança de luz característica.

p Outros pesquisadores relataram o uso de biossensores baseados em plasmon para detectar biotina em soluções em concentrações que variam de mais de 100 micromoles por litro a 10 micromoles por litro. Este dispositivo provou ser 1 milhão de vezes mais sensível, encontrar e identificar biotina a uma concentração de 10 picomoles por litro.

p Teste e implicações

p Em Cleveland, Strangi e Nima Sharifi, MD, co-líder do Programa de Câncer Geniturinário para o Case Comprehensive Cancer Center, começaram a testar o sensor com proteínas relacionadas ao câncer de próstata.

p "Para alguns tipos de câncer, como câncer colorretal e pancreático, a detecção precoce é essencial, "disse Sharifi, que também é o Presidente da Família Kendrick para Pesquisa do Câncer de Próstata na Cleveland Clinic. "A detecção de alta sensibilidade de proteínas específicas do câncer no sangue deve permitir a detecção de tumores quando eles estão em um estágio inicial da doença.

p "Esta nova tecnologia de detecção pode nos ajudar não apenas a detectar cânceres, mas qual subconjunto de câncer, o que está impulsionando seu crescimento e disseminação e ao que é sensível, "disse ele." O sensor, por exemplo, pode nos ajudar a determinar marcadores de cânceres de próstata agressivos, que requerem tratamentos, ou formas indolentes que não o fazem. "

p O laboratório de Strangi está trabalhando com outros oncologistas em todo o mundo para testar o dispositivo e começar a mover o sensor para uso clínico.

p "Consideramos isso apenas o começo de nossa pesquisa, " ele disse.