Identificar la infección viral de un paciente o diagnosticar un trastorno sanguíneo generalmente requiere un laboratorio y técnicos capacitados. Pero los investigadores de la Universidad de Princeton han desarrollado una nueva tecnología que contribuye en gran medida a reemplazar el laboratorio con un solo microchip.

En un paso importante hacia la realización de diagnósticos médicos utilizando dispositivos portátiles, Los investigadores han adaptado una tecnología de chip de silicio similar a la que se encuentra en las computadoras personales y los teléfonos móviles para que funcione como biosensor. La tecnología utiliza pequeñas capas de metal incrustadas en un microchip para eliminar toda la instrumentación óptica compleja y voluminosa empleada en los laboratorios de diagnóstico. Como resultado, el nuevo sistema es casi tan pequeño como un grano de sal, y mucho menos costoso de fabricar que los sistemas de diagnóstico actuales.

"La idea clave es permitir sistemas ópticos complejos en chips modernos, "dijo Kaushik Sengupta, un profesor asistente de ingeniería eléctrica y uno de los líderes del proyecto. "Todos los teléfonos inteligentes llevan una cámara de un millón de píxeles. ¿Cómo convertimos esto en un dispositivo que permita diagnósticos con calidad de laboratorio?"

Un biosensor comercial basado en fluorescencia normalmente lleva una serie de componentes ópticos clásicos que incluyen varios conjuntos de filtros, lentes y rejillas. Cuanto más sensible es el sistema, cuanto más cara y voluminosa sea la configuración.

"Demostramos que estos complejos sistemas de biosensores ópticos también se pueden realizar con la misma tecnología sin ningún cambio en la fabricación del microchip, "Dijo Sengupta.

Los investigadores encontraron que las diminutas capas de metal ya integradas en los microchips modernos pueden adaptarse con relativa facilidad para aprovechar el comportamiento inusual de la luz cuando interactúa con estructuras más pequeñas que una sola longitud de onda de luz. Aprovechar la luz de esta manera permite la detección de miles de sustancias biológicas, desde el ADN bacteriano hasta las hormonas. Y como los microchips modernos ya están diseñados para ser extremadamente pequeños, estas estructuras se pueden hacer utilizando técnicas de fabricación estándar, Dijo Sengupta.

Aunque se requiere más trabajo, los investigadores esperan que la tecnología conduzca a sistemas de diagnóstico contenidos en una pastilla o implementados en un teléfono inteligente.

"Demostramos por primera vez que este nivel de manipulación del campo óptico es posible en un chip de silicio. Al eliminar todas las ópticas clásicas, el sistema ahora es lo suficientemente pequeño como para empezar a pensar en ponerlo en una pastilla, "Dijo Sengupta." Podrías empezar a pensar en el diagnóstico dentro del cuerpo de una manera en la que no podías pensar antes ".

En dos papeles, el primero publicado el 12 de septiembre de 2018, en el diario Fotónica ACS y el segundo el 1 de noviembre, 2018, en Óptica Biomédica Express , los investigadores informaron que han desarrollado un sensor que puede detectar moléculas como ADN y proteínas en muestras tan pequeñas como un microlitro con sensibilidades comparables a la instrumentación comercial en el laboratorio de diagnóstico. (Hay alrededor de 50 microlitros en una gota de agua).

El nuevo chip sensor, como una configuración de laboratorio clásica, detecta moléculas diana mediante el uso de anticuerpos químicos que están diseñados para reaccionar en presencia de una molécula específica. Los anticuerpos se modifican para generar luz a una longitud de onda específica (fluorescen) cuando se exponen al objetivo.

En un laboratorio estándar, los anticuerpos se colocan en pequeños pocillos en una placa de prueba del tamaño de un naipe. Para que el conjunto sea lo suficientemente pequeño como para caber en un chip de 4 mm por lado, Sengupta y su grupo trabajaron con el grupo liderado por Haw Yang, un profesor de química, desarrollar nuevas técnicas para preparar y distribuir los anticuerpos. Trabajando en equipo entre dos laboratorios en Princeton, los investigadores pudieron diseñar una placa con 96 sensores de anticuerpos que es lo suficientemente pequeña para caber en el chip.

Como en un laboratorio estándar, la placa pequeña se expone a una muestra de prueba, típicamente un líquido. Los anticuerpos que entran en contacto con su molécula objetivo específica brillarán con un rojo tenue cuando se expongan a la luz ultravioleta. Desafortunadamente, el resplandor rojo es increíblemente tenue en comparación con la luz ultravioleta que se utiliza para activarlo. Eso presentó uno de los obstáculos más importantes para los investigadores.

"La proporción de luz es la asesina, ", Dijo Sengupta." Estamos brillando entre 10 millones y 100 millones de fotones en el objetivo por cada fotón que obtenemos ".

Gran parte del espacio que ocupa un detector de sobremesa estándar está formado por ópticas y lentes que se utilizan para filtrar este diminuto resplandor rojo con el fin de distinguirlo del lavado de la luz desencadenante. La nueva tecnología permite a los investigadores acabar con este sistema mediante el uso de pequeñas capas de metal incrustadas en el microchip para procesar la luz.

"Cuando se combinan estas ópticas escalables masivamente con mil millones de transistores en un mismo chip, se abre un nuevo conjunto de posibilidades. Para hacer las cosas tan pequeñas teníamos que hacerlos de una manera fundamentalmente diferente, "Dijo Sengupta.

Debido a que las diminutas estructuras están integradas en el chip de silicio, los investigadores dijeron que el sistema se puede producir en masa y no requiere un montaje detallado en un laboratorio. Sengupta dijo que la capacidad de fabricar el dispositivo de forma rápida y económica será fundamental para la eventual producción de nuevos equipos de detección.

"Una vez que hagamos los diagnósticos más baratos, "dice Sengupta, "Podemos habilitar el diagnóstico en el mundo en desarrollo. Y no se trata solo de diagnósticos. Lo que hemos creado aquí es simplemente un bajo costo, minúsculo sensor fluorescente, y puede utilizar la detección fluorescente en muchas cosas diferentes:para el control de la calidad de los alimentos y el agua, monitoreo ambiental, y aplicaciones industriales ".