As propriedades únicas da folha de carbono de espessura atômica, conhecida como grafeno, permitiram um novo biossensor multiplexado do tamanho de um centavo que é o primeiro a detectar subprodutos opióides em águas residuais, uma equipe de pesquisadores do Boston College, Boston University e Giner Labs reporta na última edição online da revista ACS Nano .
O novo dispositivo é o primeiro a usar transistores de efeito de campo baseados em grafeno para detectar quatro opióides sintéticos e naturais diferentes de uma só vez, enquanto os protege dos elementos agressivos das águas residuais. Quando um metabólito opióide específico se liga a uma sonda molecular no grafeno, ele altera a carga elétrica no grafeno. Esses sinais são facilmente lidos eletronicamente para cada sonda conectada ao dispositivo.

"Este novo sensor que desenvolvemos é capaz de medir opióides de forma rápida, barata e fácil em águas residuais", disse o professor de física do Boston College Kenneth Burch, principal autor do relatório. "Sua sensibilidade e portabilidade permitiriam a epidemiologia baseada em águas residuais em escala local - tão específica quanto bloco por bloco ou dormitório por dormitório - garantindo a privacidade".

O dispositivo responde a um desafio primário da epidemia de opióides:determinar a quantidade e o tipo de drogas usadas em uma comunidade. Preocupações com privacidade e recursos limitados são barreiras para testar grandes populações. Uma abordagem alternativa é a epidemiologia baseada em águas residuais, semelhante ao teste de águas residuais para medir os níveis comunitários de infecção por coronavírus durante a pandemia.

"O teste de águas residuais é uma estratégia emergente que pode derrotar as limitações e o estigma associados aos testes de drogas individuais e fornece uma medida mais objetiva do uso de drogas em nível de bairro", disse o vice-presidente de materiais avançados da Giner Labs, Avni Argun, co-líder do o projeto. "Embora o teste de águas residuais tenha sido amplamente realizado na Europa, existem apenas alguns estudos nos EUA. A natureza rápida e portátil do dispositivo da equipe permitiria testes populacionais em larga escala a baixo custo e alta resolução geográfica".

O trabalho da equipe de Argun no Giner Labs, em Newton, Massachusetts, é financiado pelo Instituto Nacional de Abuso de Drogas do NIH, que está trabalhando com pesquisadores para desenvolver ferramentas de cidades inteligentes que ajudariam programas de vigilância de saúde pública que abordam o uso e abuso de drogas. Financiamento adicional para o projeto veio da National Science Foundation, National Institutes of Health e do Office of Naval Research.

O protótipo da equipe pode fornecer uma ferramenta mais barata e rápida para uso por autoridades de saúde pública que tentam determinar o nível de uso de opióides e o impacto das intervenções de tratamento em toda a comunidade.

Embora o grafeno tenha sido usado antes para detectar amostras biológicas, o trabalho da equipe é a primeira demonstração de que o material pode ser usado com águas residuais, disse Burch.

Além disso, é a primeira demonstração do uso de transistores de efeito de campo baseados em grafeno, um dispositivo eletrônico para ler a quantidade de carga, para detectar vários alvos ao mesmo tempo, de acordo com o relatório.

O avanço foi possibilitado pelo projeto e implementação da plataforma de sensor multiplexado eletrônico de grafeno (GEMS), disse Burch. A plataforma permite a detecção de quatro moléculas-alvo diferentes de uma só vez, enquanto as protege de elementos agressivos em águas residuais, cujas amostras foram fornecidas pelo Centro de Testes de Sistemas Sépticos Alternativos de Mass. (MASSTC) em Cape Cod.

A equipe equipou as sondas de grafeno com "aptâmeros", fitas de DNA projetadas para se ligar apenas a uma molécula específica - neste caso, metabólitos de vários opióides em águas residuais. Quando o aptâmero se liga à droga, ele se dobra, trazendo mais carga ao grafeno. A quantidade de carga no grafeno é monitorada para detectar a presença de um metabólito opióide específico, disse Burch.

“Esses aptâmeros foram anexados aos nossos dispositivos de grafeno e, ao prender a droga, a carga induzida no grafeno foi lida eletronicamente”, disse Burch. "Nosso processo de fabricação e design resultaram em um limite inferior de detecção uma ordem de magnitude melhor do que relatórios anteriores por outros métodos".

As ferramentas de amostragem anteriores enfrentaram as limitações porque exigiam o envio de amostras e testes em um ambiente de laboratório. Esses requisitos impõem custos que limitam a ampla adoção e uso em comunidades sem recursos suficientes. Ao superar esses limites, o dispositivo de grafeno pode fornecer monitoramento quase em tempo real em vários locais, o que também pode ajudar a distribuir recursos como socorristas ou estratégias de intervenção específicas, disse Burch.

"Este é o primeiro sensor desse tipo que pode alcançá-lo com uma configuração tão simples e fácil de usar - uma única plataforma GEMS é do tamanho de um centavo", acrescentou Burch.

O sucesso do GEMS resultou de uma colaboração de longo prazo liderada por Burch, reunindo a experiência em DNA do professor associado de biologia do Boston College, Tim van Opijnen, o cultivo de grafeno pelo químico Xi Ling da Universidade de Boston e a experiência em desenvolvimento de ensaios de biossensores de Argun e cientistas da Laboratórios Giner.

Outros pesquisadores do projeto incluíram o estudante de pós-graduação do Boston College Michael Geiwitz, o cientista pesquisador Narendra Kumar, o graduando Matthew Catalan e o pesquisador de pós-doutorado Juan C. Ortiz-Marquez; Muhit Rana da Giner Labs, Niazul Islam Khan, Andrew Weber e Badawi Dweik; e estudante de pós-graduação da BU Hikari Kitadai.

Burch disse que a equipe ficou surpresa com o quão bem o dispositivo resistiu ao ambiente hostil de águas residuais. Ele disse que seu laboratório está trabalhando com Giner Labs sob financiamento de pesquisa de inovação de pequenas empresas (SBIR) do NIDA para desenvolver os dispositivos para eventual uso comercial.

“Também estamos trabalhando para ver para que mais a plataforma pode ser usada, como testes rápidos em casa de infecções virais e/ou a presença de patógenos em águas residuais”, disse Burch. + Explorar mais

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