Pesquisadores da Duke University desenvolveram um tipo único de nanopartícula chamada "nanorattle" que aumenta muito a luz emitida de dentro de sua casca externa.
Carregado com corantes de dispersão de luz chamados repórteres Raman comumente usados ​​para detectar biomarcadores de doenças em amostras orgânicas, a abordagem pode amplificar e detectar sinais de tipos separados de nanossondas sem precisar de uma máquina cara ou profissional médico para ler os resultados.

Em um pequeno estudo de prova de conceito, os nanorattles identificaram com precisão os cânceres de cabeça e pescoço por meio de um dispositivo de ponto de atendimento habilitado para IA que poderia revolucionar a forma como esses cânceres e outras doenças são detectados em áreas de poucos recursos para melhorar a saúde global.

Os resultados apareceram on-line em 2 de setembro no Journal of Raman Spectroscopy .

"O conceito de prender os repórteres Raman nesses chamados nanochocalhos já foi feito antes, mas a maioria das plataformas tinha dificuldade em controlar as dimensões interiores", disse Tuan Vo-Dinh, professor de engenharia biomédica da R. Eugene e Susie E. Goodson. Duque.

"Nosso grupo desenvolveu um novo tipo de sonda com uma lacuna precisamente ajustável entre o núcleo interno e o invólucro externo, o que nos permite carregar vários tipos de repórteres Raman e amplificar sua emissão de luz chamada espalhamento Raman aprimorado pela superfície", disse Vo-Dinh. disse.

Para fazer nanochocalhos, os pesquisadores começam com uma esfera de ouro sólido com cerca de 20 nanômetros de largura. Depois de cultivar uma camada de prata ao redor do núcleo de ouro para fazer uma esfera maior (ou cubo), eles usam um processo de corrosão chamado substituição galvânica que esvazia a prata, criando uma casca em forma de gaiola ao redor do núcleo. A estrutura é então embebida em uma solução contendo repórteres Raman carregados positivamente, que são atraídos para a gaiola externa pelo núcleo de ouro carregado negativamente. Os cascos externos são então cobertos por uma camada extremamente fina de ouro para prender os repórteres Raman dentro.

O resultado é uma nanoesfera (ou nanocubo) de cerca de 60 nanômetros de largura com uma arquitetura que se assemelha a um chocalho – um núcleo de ouro preso dentro de uma concha externa de prata-ouro maior. A diferença entre os dois é de apenas alguns nanômetros, o que é grande o suficiente para caber nos repórteres Raman.

Essas tolerâncias apertadas são essenciais para controlar o aprimoramento do sinal Raman que os nanochocalhos produzem.

Quando um laser brilha nos nanochocalhos, ele viaja através da casca externa extremamente fina e atinge os repórteres Raman dentro, fazendo com que eles emitam luz própria. Devido à proximidade das superfícies do núcleo de ouro e da camada externa de ouro/prata, o laser também excita grupos de elétrons nas estruturas metálicas, chamados plasmons. Esses grupos de elétrons criam um campo eletromagnético extremamente poderoso devido à interação dos plasmons da arquitetura metálica do núcleo-casca, um processo chamado acoplamento plasmônico, que amplifica a luz emitida pelos repórteres Raman milhões de vezes.

“Uma vez que os nanochocalhos funcionassem, queríamos fazer dispositivos de biossensores para detectar doenças infecciosas ou câncer antes mesmo de as pessoas saberem que estão doentes”, disse Vo-Dinh. “Com o quão poderoso é o aprimoramento de sinal dos nanochocalhos, pensamos que poderíamos fazer um teste simples que pudesse ser facilmente lido por qualquer pessoa no ponto de atendimento”.

No novo artigo, Vo-Dinh e seus colaboradores aplicam a tecnologia nanorattle a um dispositivo lab-on-a-stick capaz de detectar cânceres de cabeça e pescoço, que aparecem em qualquer lugar entre os ombros e o cérebro, geralmente na boca, nariz e garganta. A taxa de sobrevivência para esses cânceres oscilou entre 40 e 60 por cento por décadas. Embora essas estatísticas tenham melhorado nos últimos anos nos Estados Unidos, elas pioraram em ambientes de poucos recursos, onde fatores de risco como fumar, beber e mascar noz de bétele são muito mais prevalentes.

“Em ambientes de poucos recursos, esses cânceres geralmente se apresentam em estágios avançados e resultam em resultados ruins devido, em parte, a equipamentos de exame limitados, falta de profissionais de saúde treinados e programas de triagem essencialmente inexistentes”, disse Walter Lee, professor de cabeça e pescoço. cirurgia e ciências da comunicação e oncologia de radiação na Duke, e um colaborador na pesquisa.

"Ter a capacidade de detectar esses cânceres precocemente deve levar a um tratamento mais precoce e a uma melhora nos resultados, tanto na sobrevida quanto na qualidade de vida", disse Lee. "Esta abordagem é empolgante, pois não depende de uma revisão patologista e potencialmente pode ser usada no ponto de atendimento".

O dispositivo protótipo usa sequências genéticas específicas que atuam como velcro para os biomarcadores que os pesquisadores estão procurando – neste caso, um mRNA específico que é excessivamente abundante em pessoas com câncer de cabeça e pescoço. Quando o mRNA em questão está presente, ele age como uma corrente que liga nanochocalhos a esferas magnéticas. Essas contas são então concentradas e mantidas no lugar por outro ímã enquanto todo o resto é enxaguado. Os pesquisadores podem então usar um dispositivo portátil simples e barato para procurar a luz emitida pelos nanochocalhos para ver se algum biomarcador foi capturado.

Nos experimentos, o teste determinou se 20 amostras vieram ou não de pacientes que tiveram câncer de cabeça e pescoço com 100% de precisão. Os experimentos também mostraram que a plataforma nanorattle é capaz de lidar com vários tipos de nanossondas, graças a um algoritmo de aprendizado de máquina que pode separar os sinais separados, o que significa que eles podem atingir vários biomarcadores ao mesmo tempo. Este é o objetivo do projeto atual do grupo financiado pelo National Institutes of Health.

"Muitos biomarcadores de mRNA são excessivamente abundantes em vários tipos de câncer, enquanto outros biomarcadores podem ser usados ​​para avaliar o risco do paciente e o resultado futuro do tratamento", disse Vo-Dinh. "A detecção de vários biomarcadores ao mesmo tempo nos ajudaria a diferenciar entre cânceres e também a procurar outros marcadores prognósticos, como o Papilomavírus Humano (HPV), e controles positivos e negativos. uma ferramenta de diagnóstico que pode revolucionar a forma como esses cânceres e outras doenças são detectados em áreas de poucos recursos." + Explorar mais

Nanosestrelas de ouro banhadas a prata detectam biomarcadores precoces de câncer