Senzor avansat pe bază de cip identifică markerii leziunilor cerebrale traumatice
Cercetătorii au dezvoltat un biosenzor pe bază de metasurfă, care poate detecta biomarkerii leziunilor cerebrale traumatice (TBI) la niveluri extrem de scăzute.
Cu o dezvoltare ulterioară, această tehnologie ar putea ajuta medicii să ofere un diagnostic mai rapid după o leziune craniană, ghidând astfel tratamentul și oferind un avertisment timpuriu în cazul apariției complicațiilor.
Metasurfățile sunt materiale ultra-subțiri, modelate cu caracteristici minuscule, care le permit să manipuleze lumina în moduri în care obiectivele convenționale nu pot. Acoperind o metasurfă cu anticorpi care se leagă de moleculele țintă specifice, aceasta poate detecta acele molecule utilizând lumina.
Deși mai mulți biomarkeri au fost validați ca indicatori ai TBI, metodele actuale de măsurare sunt consumatoare de timp și necesită pași de laborator complecși. Pentru a aborda această provocare, cercetătorii au dezvoltat biosenzori pe bază de metasurfă, care sunt excepțional de sensibili, permițându-le să producă semnale optice clare și fiabile chiar și în prezența unor cantități foarte mici de biomarkeri.
Guangyuan Li, liderul echipei de cercetare de la Beijing Institute of Technology, Zhuhai, China, și Yunhui Liu de la Shenzhen Institute of Technology, CAS, au raportat în jurnalul Optical Materials Express că noul senzor poate detecta biomarkerii TBI, proteina acidă fibrilară glială (GFAP) și proteina β legată de calciu S100, la niveluri de până la femtograme pe mililitru – aproximativ un cvadrilion dintr-un gram într-un mililitru de fluid.
Platforma ar putea fi, de asemenea, adaptată pentru a crea senzori pe bază de metasurfă capabili să detecteze simultan mai mulți biomarkeri.
„Dacă va fi dezvoltată într-un format de îngrijire la punct, această tehnologie ar putea ajuta la furnizarea de răspunsuri mai rapide și precise după o leziune cerebrală – poate folosind doar o pișcătură de deget”, a spus Liu. „Acest lucru ar putea reduce potențial necesitatea de scanări CT pentru cazuri de risc scăzut, în timp ce ar putea semnala mai devreme pacienții cu risc mai mare. De asemenea, ar putea permite o detectare mai accesibilă a biomarkerilor în ambulanțe, clinici rurale, medii sportive sau departamente de urgență, unde timpul contează.”
Creearea unui biosenzor pe bază de cip
Detectarea biomarkerilor TBI într-un mod util clinic necesită un senzor care să fie extrem de sensibil la concentrații moleculare scăzute. Pentru a realiza acest lucru, cercetătorii au dezvoltat un dispozitiv de biosenzare pe bază de metasurfă, bazat pe o suprafață de aur ondulată. Datorită factorului său de calitate (high-Q) ridicat, atunci când lumina este direcționată asupra suprafeței, spectrul de reflexie prezintă o scădere extrem de îngustă.
Dacă biomoleculele țintă se leagă de suprafața funcționalizată, indicele de refracție local se va schimba ușor, ceea ce va conduce la o deplasare a lungimii de undă a scăderii. Deoarece scăderea este foarte îngustă, chiar și o deplasare foarte mică poate fi distinsă, permițând o detectare ultrasensibilă.
Pentru a crea suprafața de aur ondulată cu high-Q, cercetătorii au dezvoltat o tehnică de fabricație care a redus rugozitatea suprafeței și pierderile optice. Aceștia au folosit o abordare de nanofabricație extrem de precisă pentru a crea modelul periodic.
„De asemenea, am dezvoltat o abordare de chimie de suprafață stabilă care a permis captarea specifică a moleculelor țintă cu o adsorbție nonspecifică scăzută și un sistem optic care colectează spectre cu un semnal ridicat față de zgomot”, a declarat Li. „Împreună, aceste inovații au făcut posibilă crearea de biosenzori ultra-sensibili într-un cip compact.”
Detectarea sensibilă a biomarkerilor TBI
Pentru a testa noua platformă, cercetătorii au pregătit două senzori separați, funcționalizați cu anticorpi anti-S100β și anti-GFAP, și au măsurat fiecare biomarker la concentrații variind de la 1 fg/mL la 100 ng/mL. De asemenea, au folosit biomarkerii TBI non-țintiți H-FABP și UCH-L1 ca măsuri de control.
Platforma a arătat deplasări clare ale lungimii de undă în funcție de concentrație și limite de detectare subfemtogram pe mililitru pentru S100β și GFAP, cu răspunsuri semnificativ mai mari la ținte decât la controale.
Cercetătorii subliniază că, deși procesul de fabricație a metasurfățelor de aur este scalabil, acesta este și costisitor. Totuși, lucrează la reducerea costurilor. Îmbunătățiri ale ambalării și sistemelor de manipulare a fluidelor vor trebui, de asemenea, dezvoltate înainte de utilizarea clinică, iar tehnologia va trebui validată folosind probe mai complexe, relevante din punct de vedere clinic. Studii suplimentare care implică cohorte de pacienți vor fi necesare pentru a evalua repetabilitatea, robustețea și performanța în condiții reale a sistemului.
