Pensa-se que o envelhecimento da população e a tendência para levar um estilo de vida mais sedentário em muitas partes do mundo aumentam dramaticamente o número de pessoas que vivem com múltiplas doenças crónicas. Além disso, as alterações climáticas, bem como as mudanças nos padrões de utilização dos solos e de viagens, continuam a aumentar o risco de doenças infecciosas que podem surgir e espalhar-se local e globalmente.



Ser capaz de diagnosticar rapidamente a presença e a evolução de todas estas doenças representa um desafio crescente para os sistemas de saúde – um desafio que só pode ser enfrentado com a ajuda de testes de diagnóstico eficazes no local de atendimento (POC), além do consultório médico e de métodos médicos avançados. instalações.

Os testes POC trouxeram inúmeros benefícios às pessoas durante a pandemia de COVID-19, mas esta abordagem precisa de se tornar aplicável de forma muito mais ampla e permitir que médicos e pacientes investiguem mais profundamente as condições patológicas. As atuais tecnologias de diagnóstico POC medem apenas um único biomarcador de doença ou, às vezes, vários biomarcadores pertencentes à mesma classe de moléculas, como diferentes RNAs, proteínas ou anticorpos.

No entanto, a medição de múltiplos biomarcadores de diferentes classes moleculares poderia informar de forma mais abrangente sobre o estado em que uma doença se encontra, a sua gravidade e progressão ao longo do tempo, e até mesmo explicar as diferenças de pessoa para pessoa na forma como se desenvolve.

Biossensores eletroquímicos, que convertem um sinal químico na forma de um biomarcador presente em uma pequena amostra de biofluido, como sangue, saliva ou urina, em um sinal elétrico que corresponde em intensidade à quantidade detectada do biomarcador, poderiam fornecer o resposta a muitos problemas de diagnóstico do POC.

Em princípio, múltiplos sensores para diferentes moléculas de biomarcadores podem ser combinados em conjuntos de sensores multiplexados e, mais importante, a luta contra a "bioincrustação", a anteriormente inevitável ruína das superfícies dos eletrodos por moléculas biológicas inespecíficas contidas nas amostras, tornou-se evitável pela engenharia de revestimentos anti-incrustantes finos foram pioneiros no Wyss Institute da Universidade de Harvard.

Agora, a equipe de pesquisa do Instituto Wyss, juntamente com vários institutos colaboradores na Coréia, deu um passo crítico à detecção de diagnóstico eletroquímico em direção à sua aplicação mais ampla, desenvolvendo um novo revestimento anti-incrustante poroso nanocompósito que, com uma espessura de um micrômetro - o diâmetro de uma bactéria – que é cerca de 100 vezes mais espessa que os revestimentos anteriores.

A maior espessura do revestimento e uma rede porosa projetada dentro dele permitiram a incorporação de um número muito maior de sondas de detecção de biomarcadores em sensores e, portanto, sensibilidades até 17 vezes maiores do que os melhores sensores anteriores da categoria, ao mesmo tempo que fornece capacidades antiincrustantes superiores .

Em seu estudo de prova de conceito, os pesquisadores construíram sensores que combinaram a capacidade de detectar alvos de biomarcadores de ácido nucleico, antígeno e anticorpo específico do COVID-19 em amostras clínicas com alta sensibilidade e especificidade. Suas descobertas foram publicadas na Nature Communications .

"Nosso novo revestimento de emulsão porosa espessa aborda diretamente os obstáculos críticos que atualmente impedem o uso generalizado de sensores eletroquímicos como componentes centrais de diagnósticos POC abrangentes para muitas condições", disse o último autor e diretor fundador da Wyss, Donald Ingber, M.D., Ph.D. .

"No entanto, indo muito além disso, também poderia abrir novas oportunidades para o desenvolvimento de dispositivos implantáveis ​​mais seguros e funcionais e outros sistemas de monitoramento de cuidados de saúde em múltiplas frentes de doenças. Superar problemas de bioincrustação e sensibilidade são desafios que impactam muitos desses esforços."

Ingber também é professor Judah Folkman de Biologia Vascular na Harvard Medical School e no Boston Children's Hospital e professor Hansjörg Wyss de Engenharia Bioinspirada na Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.

Revestimento mais espesso, melhor detecção

Em 2019, o projeto de sensor eletroquímico do Wyss Institute publicou seu primeiro artigo histórico que relatou o primeiro revestimento anti-incrustante com capacidades de biossensor sem precedentes.

Em uma série de estudos críticos de acompanhamento, a equipe aumentou o potencial da detecção eletroquímica, avançando ainda mais a nanoquímica dos revestimentos para tornar os eletrodos ainda mais sensíveis aos biomarcadores, adicionando importantes capacidades de multiplexação e desenvolvendo métodos de fabricação com redução de custos.

Os biossensores mais avançados que a equipe projetou na plataforma eRapid da Wyss tinham um conjunto de recursos que já permite sua tradução em alguns ambientes clínicos.

No entanto, o método de revestimento usado pela equipe expôs todo o chip do sensor à solução de nanocompósito e permitiu apenas a formação de um revestimento relativamente fino de cerca de 10 nanômetros em toda a superfície do sensor, o que limitou a funcionalidade dos sensores de várias maneiras.

Por exemplo, o diâmetro fino do revestimento restringiu a quantidade máxima de sonda que poderia ser carregada nele, o que se torna especialmente crítico em sensores multiplexados maiores que ainda precisam trabalhar com pequenos volumes de amostra e ainda mais nos esforços para miniaturizar sensores multiplexados para seu uso. em dispositivos portáteis de diagnóstico POC.

"Neste novo estudo, criamos uma solução completamente nova para este problema que resultou em um revestimento 100 vezes mais espesso. Nossa nova abordagem aproveita um método de impressão a jato de tinta que nos permite aplicar esse revestimento espesso muito localmente em sensores individuais elementos", disse o ex-cientista sênior da Wyss, Pawan Jolly, Ph.D., que foi fundamental na evolução da plataforma eRapid.

"Isso abre novas possibilidades:primeiro, podemos incluir quantidades muito maiores de sondas de detecção de biomarcadores no revestimento e, no futuro, os sensores em matrizes complexas podem ser abordados individualmente, aplicando-lhes produtos químicos de nanocompósitos que são especificamente voltados para aplicações específicas. modalidades de biomarcadores."

Em vez de mergulhar literalmente os eletrodos eletroquímicos em uma solução de revestimento, como fizeram com a geração anterior de sensores, os pesquisadores imprimiram uma camada de uma densa emulsão de óleo em água através de um bico fino nos eletrodos. Depois de evaporar as pequenas bolhas de óleo, um revestimento de 1 micrômetro de espessura permaneceu na superfície do eletrodo, que consistia em moléculas poliméricas reticuladas da proteína do sangue albumina e continha poros interconectados e nanofios de ouro condutores de elétrons.

"A rede porosa neste revestimento nanocompósito aumenta drasticamente a superfície que pode ser usada para anexar sondas de detecção de biomarcadores especificamente projetadas e que, ao mesmo tempo, é acessível para amostras de fluidos. Como resultado, a sensibilidade de detecção é significativamente aumentada, " explicou o primeiro autor Jeong-Chan Lee, Ph.D., pós-doutorado da equipe de Ingber.

"Além disso, a impressão do bico nos permite padronizar a emulsão exclusivamente no eletrodo de trabalho de detecção de biomarcador, mantendo o eletrodo de referência vizinho contido em cada sensor livre dele, o que reduz o ruído elétrico não específico e aumenta a especificidade de nossas medições."

Avante a partir da COVID-19

A equipe reaproveitou uma combinação previamente desenvolvida de reagentes de detecção para três biomarcadores relacionados ao COVID-19 para padronizar um conjunto de eletrodos sensores usando sua tecnologia de revestimento recém-desenvolvida:um sensor habilitado para CRISPR para um RNA SARS-CoV-2, um sensor específico para um antígeno do capsídeo SARS-CoV-2 e um sensor para um anticorpo hospedeiro direcionado ao vírus.

Testado com uma coleção de amostras de pacientes, o novo sensor produziu sensibilidades de detecção aprimoradas de 3,75 a 17 vezes quando comparado a um anterior fabricado com os mesmos sistemas de detecção e o melhor revestimento não poroso e muito mais fino da equipe. Também distinguiu amostras positivas de negativas com 100% de precisão (especificidade).

“Sensores eletroquímicos com este revestimento de próxima geração seriam ideais para monitorar surtos virais, respostas de vacinação e compreender correlações entre vários biomarcadores ao longo de infecções virais e, no futuro, poderiam ser usados ​​também para outras doenças”, disse Lee.

Mais informações: Jeong-Chan Lee et al, Revestimento nanocompósito poroso e com espessura micrométrica para sensores eletroquímicos com propriedades antiincrustantes e eletrocondutoras excepcionais, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-44822-1
Informações do diário: Comunicações da Natureza

Fornecido pela Universidade de Harvard