Un nuevo recubrimiento poroso de un micrómetro de espesor con capacidades incomparables de detección de biomarcadores

En muchas partes del mundo, se cree que el envejecimiento de la población y la tendencia a llevar un estilo de vida sedentario aumentan significativamente el número de personas con muchas enfermedades crónicas. Además, el cambio climático, el uso de la tierra y los patrones de viaje cambiantes continúan aumentando el riesgo de que surjan y se propaguen enfermedades infecciosas a nivel local y global.

Ser capaz de diagnosticar las manifestaciones y la progresión de todas estas enfermedades plantea un desafío creciente para los sistemas de salud que solo puede abordarse con diagnósticos eficaces en el punto de atención (POC) fuera del consultorio del médico. instalaciones.

Las pruebas POC han aportado muchos beneficios a las personas durante la pandemia de COVID-19, pero el método debe utilizarse más ampliamente y permitir a los médicos y pacientes analizar más profundamente las condiciones de la enfermedad. Las tecnologías de diagnóstico POC actuales miden solo un biomarcador de enfermedad o, a veces, varios biomarcadores de la misma molécula, como diferentes ARN, proteínas o anticuerpos.

Sin embargo, medir múltiples biomarcadores de diferentes clases moleculares puede proporcionar información más detallada sobre el estado, la gravedad y la evolución de la enfermedad, e incluso explicar las diferencias en cómo progresa de persona a persona.

Los biosensores electroquímicos convierten señales químicas en forma de biomarcadores contenidos en pequeñas muestras de biofluidos, como sangre, saliva u orina, en señales eléctricas con una potencia igual a la cantidad detectada por el biomarcador. Respondiendo a muchas preguntas de diagnóstico de POC.

En principio, se pueden integrar múltiples sensores para diferentes moléculas de biomarcadores en conjuntos de sensores versátiles y, lo más importante, la lucha contra la "bioincrustación", la destrucción inevitable de la superficie del electrodo por moléculas biológicas inespecíficas en la muestra, se ha vuelto evitable mediante ingeniería. Una fina capa contaminante desarrollada por primera vez en el Instituto Wyss de la Universidad de Harvard.

Ahora, un equipo de investigación del Instituto Wyss, junto con varios institutos colaboradores en Corea del Sur, ha dado un paso importante hacia el uso más amplio del diagnóstico electroquímico al desarrollar un nuevo recubrimiento contaminante nanocompuesto poroso de un micrómetro de diámetro. bacterias: es 100 veces más gruesa que la capa anterior.

El mayor espesor del recubrimiento y la red porosa dentro de él permitió insertar más sondas de detección de biomarcadores en los sensores, lo que resultó en una sensibilidad 17 veces mayor que los mejores sensores anteriores, así como una mayor protección contra la contaminación. .

En un estudio de prueba de concepto, los investigadores desarrollaron un sensor que combina la capacidad de detectar objetivos biomarcadores de ácidos nucleicos, antígenos y anticuerpos del huésped específicos de COVID-19 en muestras clínicas. Los resultados de su investigación han sido publicados. comunicación natural.

"Nuestro nuevo recubrimiento de emulsión porosa y espesa aborda directamente una barrera importante que actualmente impide el uso generalizado de sensores electroquímicos como componente clave del diagnóstico POC integral para muchas enfermedades", dijo el último autor y cofundador de Wyss, Ph.D., dijo el Dr. .Donald Ingber. .

"Sin embargo, más allá de esto, abre nuevas oportunidades para el desarrollo de dispositivos implantables más seguros y funcionales y otros sistemas de monitoreo de la salud en muchas áreas de enfermedades. Superar los problemas de biocontaminación y susceptibilidad son desafíos que afectan muchos de estos esfuerzos".

Ingber también es profesor Judah Folkman de biología vascular en la Facultad de Medicina de Harvard y el Hospital Infantil de Boston, y profesor Hansjorg Weiss de ingeniería biomédica en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard.

Recubrimiento más grueso, mejor detección

En 2019, el Proyecto de Detección Electroquímica del Instituto Wyss publicó su primera caracterización, reportando el primer recubrimiento antiincrustante con un biosensor sin precedentes.

En varios estudios de seguimiento importantes, el equipo mejoró la nanoquímica del recubrimiento para hacer que el electrodo sea más sensible a los biomarcadores, agregó capacidades de multiplexación críticas y desarrolló métodos para reducir los costos de fabricación, aumentando el potencial de los sensores electroquímicos.

Los biosensores más avanzados desarrollados en la plataforma eRapid de Wyss tienen una funcionalidad que permite su traducción a algunos entornos clínicos.

Sin embargo, el método de recubrimiento que utilizó el equipo expuso todo el chip del sensor a la solución de nanocompuesto, lo que permitió un recubrimiento relativamente delgado de 10 nanómetros en toda la superficie del sensor, lo que limitó el rendimiento del sensor de varias maneras.

Por ejemplo, el diámetro delgado de la carcasa limita el tamaño máximo de la sonda, lo cual es especialmente importante para sensores multiplexados grandes que necesitan trabajar con volúmenes de muestra pequeños, y aún más importante cuando se intenta miniaturizar sensores multiplexados para sus aplicaciones. en dispositivos portátiles de diagnóstico POC.

"Con esta nueva investigación, hemos encontrado una solución completamente nueva al problema de tener un recubrimiento 100 veces más grueso. Nuestro nuevo método utiliza impresión por inyección de tinta, lo que nos permite aplicar un recubrimiento más grueso a los elementos individuales del sensor", dijo un actor clave. en el desarrollo de la plataforma eRapid, dijo Pawan Jolly, ex científico senior de Wyss.

"Esto abre nuevas posibilidades: en primer lugar, podemos incorporar más sondas de detección de biomarcadores en la capa y, en el futuro, podemos considerar compuestos químicos nanocompuestos individuales dirigidos específicamente a sensores en matrices complejas. Métodos de biomarcadores".

En lugar de sumergir el electrodo electroquímico en una solución de recubrimiento como en sensores anteriores, los investigadores imprimieron una capa de emulsión espesa en agua sobre los electrodos a través de una boquilla fina. Después de que las pequeñas burbujas de aceite se evaporaron, se dejó en la superficie del electrodo una capa de 1 micrómetro de espesor de moléculas poliméricas reticuladas de la proteína sanguínea albúmina, que contenía poros interconectados y nanocables de oro conductores de electrones.

"La red porosa de esta capa de nanocompuesto aumenta en gran medida el área de superficie que se puede utilizar para unir la sonda de detección de biomarcadores especialmente diseñada y es accesible al fluido de la muestra. Como resultado, la sensibilidad de detección aumenta significativamente", explica el primer autor Jong- Chan Lee, investigador postdoctoral del equipo de Ingber.

"Además, la impresión con boquilla permite que la emulsión se deposite sólo en el electrodo de trabajo que detecta el biomarcador, dejando libres de ella los electrodos vecinos en cada sensor, lo que reduce el ruido eléctrico no específico y mejora la especificidad de la medición".

Desde el COVID-19

Utilizando la tecnología de recubrimiento recientemente desarrollada, el equipo reutilizó una combinación de reactivos de detección previamente desarrollados para tres biomarcadores relacionados con la COVID-19: un sensor activado por CRISPR para el ARN del SARS-CoV-2 y un sensor específico para diseñar una matriz de electrodos de detección. Para antígenos de la cápside del SARS-CoV-2, así como sensores de anticuerpos del huésped dirigidos al virus.

Probado con colecciones de muestras de pacientes, el nuevo sensor tiene una sensibilidad mejorada de 3,75 a 17 veces en comparación con sensores anteriores producidos con el mismo sistema de detección y presenta el mejor recubrimiento más delgado y no poroso del equipo. También distinguió muestras positivas de negativas con un 100% de precisión (especificidad).

"Esta nueva generación de sensores electroquímicos recubiertos es ideal para monitorear brotes virales, respuestas a la vacunación, comprender la relación entre varios biomarcadores durante la infección viral y puede usarse en otras enfermedades en el futuro". dijo Lee.