_ Un nou poros micrometric gros acoperirea cu abilități de detectare a biomarkerilor de neegalat

Populațiile îmbătrânite și tendința de a duce un stil de viață mai sedentar în multe părți ale lumii se crede că crește dramatic numărul de persoane care trăiesc cu afecțiuni cronice multiple. Mai mult decât atât, schimbările climatice, precum și modelele în schimbare în utilizarea terenurilor și călătorii, continuă să crească riscul de boli infecțioase care pot apărea și se pot răspândi la nivel local și global.

Potând diagnostica prezența și cursul tuturor acestor boli. bolile reprezintă rapid o provocare din ce în ce mai mare pentru sistemele de îngrijire a sănătății — una care poate fi rezolvată numai cu ajutorul unor teste de diagnostic eficiente la punctul de îngrijire (POC) dincolo de cabinetul medicului și de unitățile medicale avansate.

Testări POC. a adus numeroase beneficii oamenilor în timpul pandemiei de COVID-19, dar această abordare trebuie să devină aplicabilă mult mai larg și să permită medicilor și pacienților să cerceteze mai profund condițiile patologice. Tehnologiile actuale de diagnosticare POC măsoară doar un singur biomarker de boală sau uneori mai mulți biomarkeri aparținând aceleiași clase de molecule, cum ar fi diferiți ARN, proteine ​​sau anticorpi.

Cu toate acestea, măsurarea mai multor biomarkeri din clase moleculare diferite ar putea informa mai cuprinzător despre starea în care se află o boală, severitatea și progresia ei în timp și chiar țin cont de diferențele de la persoană la persoană în ceea ce privește modul în care se dezvoltă.

Biosenzori electrochimici, care convertesc un semnal chimic sub formă a unui biomarker prezent într-o probă mică de biofluid, cum ar fi sânge, salivă sau urină, la un semnal electric care corespunde ca putere cu cantitatea detectată de biomarker, ar putea oferi răspunsul la multe probleme de diagnostic POC.

În principiu, mai mulți senzori pentru diferite molecule de biomarker pot fi combinați în rețele de senzori multiplexați și, mai important, lupta împotriva „biofouling”, ruina inevitabilă a suprafețelor electrozilor de către moleculele biologice nespecifice conținute în probe, a devenit evitabilă prin ingineria acoperirilor antifouling subțiri a fost pionierată la Institutul Wyss de la Universitatea Harvard.

Acum, echipa de cercetare de la Institutul Wyss, împreună cu mai multe institute colaboratoare din Coreea, a mutat diagnosticarea electrochimică cu un pas critic mai departe spre aplicarea sa mai largă prin dezvoltarea unei noi acoperiri antifouling poroase nanocompozite, cu o grosime de un micrometru — diametrul unei bacterii — care este de aproximativ 100 de ori mai groasă decât acoperirile anterioare.

Grosimea crescută a stratului de acoperire și o inginerie proiectată. Rețeaua poroasă din cadrul acesteia a permis încorporarea unui număr mult mai mare de sonde de detectare a biomarkerilor în senzori și, astfel, sensibilități de până la 17 ori mai mari decât cei mai buni senzori anteriori din clasă, oferind, în același timp, capacități superioare de antifouling.

În studiul lor de dovadă a conceptului, cercetătorii au construit senzori care au combinat capacitatea de a detecta ținte ale biomarkerilor de acid nucleic, antigen și anticorpi gazdă specifice COVID-19 în probe clinice cu sensibilitate și specificitate ridicate. Descoperirile lor sunt publicate în Nature Communications.

„Noul nostru strat de emulsie poroasă groasă abordează direct obstacolele critice care împiedică în prezent utilizarea pe scară largă a senzorilor electrochimici ca componente centrale ale diagnosticului POC complet pentru multe afecțiuni”, a spus ultimul autor și director fondator Wyss Donald Ingber, MD, Ph.D.

„Cu toate acestea, mergând mult dincolo de asta, ar putea deschide, de asemenea, noi oportunități pentru dezvoltarea dispozitivelor implantabile mai sigure și mai funcționale și a altor servicii medicale. sisteme de monitorizare pe fronturi multiple ale bolilor. Depășirea problemelor de biofouling și sensibilitate sunt provocări care afectează multe dintre aceste eforturi.”

Ingber este, de asemenea, Judah Folkman Profesor de Biologie Vasculară la Harvard Medical School și Boston Children's Hospital și Hansjörg Wyss Profesor de Bioinspired Engineering la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.

În 2019, proiectul de senzori electrochimici al Institutului Wyss a publicat prima lucrare de referință care a raportat prima acoperire antifouling cu capacități de biodetecție fără precedent.

Într-o serie de studii critice de urmărire, echipa a crescut potențialul de detectare electrochimică prin avansarea în continuare a nanochimiei acoperirilor pentru a face electrozii și mai sensibili la biomarkeri, adăugând capacități importante de multiplexare și dezvoltând metode de fabricație care reduc costurile.

Cei mai avansați biosenzori pe care echipa i-a proiectat în Wyss' Platforma eRapid avea un set de caracteristici care permite deja traducerea lor în anumite setări clinice.

Cu toate acestea, metoda de acoperire folosită de echipa a expus întregul cip senzor la soluția de nanocompozit și a permis doar o acoperire relativ subțire de aproximativ 10 nanometri să se formeze pe întreaga suprafață a senzorului, ceea ce a limitat funcționalitatea senzorilor în mai multe moduri.

De exemplu, diametrul subțire al acoperirii a limitat cantitatea maximă de sondă care putea fi încărcată în el, ceea ce devine deosebit de critic în cazul senzorilor multiplexați mai mari, care încă trebuie să funcționeze cu volume mici de eșantionare și cu atât mai mult în eforturile de a miniaturiza senzorii multiplexați pentru utilizarea lor în dispozitive portabile de diagnosticare POC.

„În acest nou studiu, am venit cu o soluție complet nouă pentru această problemă, care a dus la o acoperire de 100 de ori mai groasă. Noua noastră abordare folosește o metodă de imprimare cu jet de cerneală care ne permite să aplicăm această acoperire groasă foarte local pe elementele senzorilor individuale”, a declarat fostul om de știință Wyss Pawan Jolly, Ph.D., care a jucat un rol esențial în dezvoltarea platformei eRapid.

„Acest lucru deschide noi posibilități: în primul rând, putem include cantități mult mai mari de sonde de detectare a biomarkerilor în acoperire și, în viitor, senzorii din rețele complexe pot fi abordați individual prin aplicarea unor chimie nanocompozite, care sunt orientate în mod special către modalități specifice de biomarker.”

În loc să scufunde literalmente electrozii electrochimici într-o soluție de acoperire, așa cum au făcut pentru generația anterioară de senzori, cercetătorii au imprimat un strat de emulsie densă ulei-în-apă. printr-o duză fină pe electrozi.După evaporarea bulelor minuscule de ulei, pe suprafața electrodului a rămas o acoperire cu o grosime de 1 micrometru care consta din molecule polimerice reticulate ale albuminei proteinelor din sânge și conținea pori interconectați și nanofire de aur conducătoare de electroni.

„Rețeaua poroasă din acest înveliș nanocompozit mărește dramatic suprafața care poate fi utilizată pentru a atașa sondele de detectare a biomarkerilor concepute special și care, în același timp, este accesibilă fluidelor de probă. Drept urmare, sensibilitatea de detectare este crescută semnificativ”, a explicat primul autor Jeong-Chan Lee, Ph.D., un postdoctoral în echipa lui Ingber.

„În plus, imprimarea cu duze ne permite să modelăm emulsia exclusiv pe electrodul de lucru care detectează biomarker, păstrând în același timp electrodul de referință învecinat conținut în fiecare senzor liber de acesta, ceea ce reduce zgomotul electric nespecific și sporește specificitatea măsurătorilor noastre.”

Echipa re - a propus o combinație dezvoltată anterior de reactivi de detecție pentru trei biomarkeri legați de COVID-19 pentru a modela o matrice de electrozi senzori folosind tehnologia lor de acoperire nou dezvoltată: un senzor activat CRISPR pentru un ARN SARS-CoV-2, un senzor specific pentru un SARS -Antigenul capsidei CoV-2 și un senzor pentru un anticorp gazdă direcționat de virus.

Testat cu o colecție de mostre de pacienți, noul senzor a produs sensibilități de detecție îmbunătățite de 3,75 până la 17 ori în comparație cu unul anterior fabricat cu aceleași sisteme de detectare și cel mai bun strat neporos, mult mai subțire al echipei. . De asemenea, a distins probele pozitive de cele negative cu o acuratețe de 100% (specificitate).

„Senzorii electrochimici cu această acoperire de ultimă generație ar fi ideali pentru monitorizarea focarelor virale, răspunsurile la vaccinare și înțelegerea corelațiilor dintre diferiți biomarkeri cursul infecțiilor virale și, în viitor, acestea ar putea fi folosite și pentru alte boli”, a spus Lee.

(Fluierul)