La microplaca de múltiples orificios, desde hace mucho tiempo una herramienta estándar en los laboratorios de diagnóstico e investigación biomédica, podría convertirse en cosa del pasado gracias a la nueva tecnología de biosensores electrónicos desarrollada por un equipo de ingenieros de microelectrónica y científicos biomédicos del Instituto de Tecnología de Georgia.

Esencialmente matrices de diminutos tubos de ensayo, Las microplacas se han utilizado durante décadas para analizar simultáneamente múltiples muestras para determinar sus respuestas a los productos químicos. organismos vivos o anticuerpos. Los cambios de fluorescencia o de color en los marcadores asociados con compuestos en las placas pueden indicar la presencia de proteínas o secuencias de genes particulares.

Los investigadores esperan reemplazar estas microplacas con tecnología microelectrónica moderna, incluidas matrices desechables que contienen miles de sensores electrónicos conectados a potentes circuitos de procesamiento de señales. Si tienen éxito, esta nueva plataforma electrónica de biosensores podría ayudar a hacer realidad el sueño de la medicina personalizada al hacer posible el diagnóstico de enfermedades en tiempo real, potencialmente en el consultorio de un médico, y al ayudar a seleccionar enfoques terapéuticos individualizados.

“Esta tecnología podría ayudar a facilitar una nueva era de medicina personalizada, "Dijo John McDonald, científico investigador jefe del Instituto de Cáncer de Ovario en Atlanta y profesor de la Escuela de Biología de Georgia Tech. “Un dispositivo como este podría detectar rápidamente en individuos las mutaciones genéticas que son indicativas de cáncer y luego determinar cuál sería el tratamiento óptimo. Hay muchas aplicaciones potenciales para esto que no se pueden hacer con la tecnología analítica y de diagnóstico actual ”.

Fundamental para el nuevo sistema de biosensores es la capacidad de detectar electrónicamente marcadores que diferencian entre células sanas y enfermas. Estos marcadores podrían ser diferencias en proteínas, mutaciones en el ADN o incluso niveles específicos de iones que existen en diferentes cantidades en las células cancerosas. Los investigadores están encontrando cada vez más diferencias como estas que podrían aprovecharse para crear técnicas de detección electrónica rápidas y económicas que no se basan en etiquetas convencionales.

“Hemos reunido varias piezas novedosas de tecnología nanoelectrónica para crear un método para hacer las cosas de una manera muy diferente a la que hemos estado haciendo, ”Dijo Muhannad Bakir, profesor asociado en la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática de Georgia Tech. “Lo que estamos creando es una nueva plataforma de detección de propósito general que aprovecha lo mejor de la nanoelectrónica y la integración de sistemas electrónicos tridimensionales para modernizar y agregar nuevas aplicaciones a la antigua aplicación de microplacas. Este es un matrimonio de la electrónica y la biología molecular ".

Las matrices de sensores tridimensionales se fabrican utilizando sistemas convencionales de bajo costo, tecnología microelectrónica de arriba hacia abajo. Aunque los sistemas de carga y preparación de muestras existentes pueden tener que modificarse, Las nuevas matrices de biosensores deberían ser compatibles con los flujos de trabajo existentes en los laboratorios de investigación y diagnóstico.

“Queremos simplificar la fabricación de estos dispositivos aprovechando todos los avances realizados en microelectrónica, mientras que al mismo tiempo no cambia significativamente la usabilidad para el médico o investigador, ”Dijo Ramasamy Ravindran, asistente de investigación graduada en el Centro de Investigación de Nanotecnología de Georgia Tech y en la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática.

Una ventaja clave de la plataforma es que la detección se realizará utilizando componentes desechables, mientras que el procesamiento de la información se realizará mediante circuitos integrados convencionales reutilizables conectados temporalmente a la matriz. Los conectores mecánicamente compatibles con resortes de densidad ultra alta y las avanzadas "vías de silicio" realizarán las conexiones eléctricas y permitirán a los técnicos reemplazar las matrices de biosensores sin dañar los circuitos subyacentes.

La separación de las porciones de detección y procesamiento permite optimizar la fabricación para cada tipo de dispositivo, señala Hyung Suk Yang, un asistente de investigación graduado que también trabaja en el Centro de Investigación en Nanotecnología. Sin la separación los tipos de materiales y procesos que se pueden utilizar para fabricar los sensores son muy limitados.

La sensibilidad de los pequeños sensores electrónicos a menudo puede ser mayor que la de los sistemas actuales, potencialmente permitiendo que las enfermedades se detecten antes. Debido a que los pocillos de muestra serán sustancialmente más pequeños que los de las microplacas actuales, lo que permite un factor de forma más pequeño, podrían permitir que se realicen más pruebas con un volumen de muestra dado.

La tecnología también podría facilitar el uso de sensores basados ​​en ligandos que reconocen secuencias genéticas específicas en el ADN o el ARN mensajero. “Esto nos daría muy rápidamente una indicación de las proteínas que expresa ese paciente, que nos da conocimiento del estado de la enfermedad en el punto de atención, "Explicó Ken Scarberry, becario postdoctoral en el laboratorio de McDonald's.

Hasta aquí, los investigadores han demostrado un sistema biosensor con sensores de nanocables de silicio en un dispositivo de 16 pocillos construido en un chip de un centímetro por un centímetro. Los nanocables solo 50 por 70 nanómetros, diferenciado entre células de cáncer de ovario y células epiteliales de ovario sanas en una variedad de densidades celulares.

La tecnología de sensores de nanocables de silicio se puede utilizar para detectar simultáneamente un gran número de células y biomateriales diferentes sin etiquetas. Más allá de esa tecnología versátil, la plataforma de biosensores podría acomodar una amplia gama de otros sensores, incluidas tecnologías que pueden no existir todavía. Por último, Se podrían incluir cientos de miles de sensores diferentes en cada chip, suficiente para detectar rápidamente marcadores de una amplia gama de enfermedades.

“Nuestra idea de plataforma es realmente independiente del sensor, —Dijo Ravindran. “Podría usarse con muchos sensores diferentes que la gente está desarrollando. Nos daría la oportunidad de reunir muchos tipos diferentes de sensores en un solo chip ".

Las mutaciones genéticas pueden conducir a una gran cantidad de estados patológicos diferentes que pueden afectar la respuesta de un paciente a una enfermedad o medicación. pero los métodos de detección etiquetados actuales tienen una capacidad limitada para detectar un gran número de marcadores diferentes simultáneamente.

Mapeo de polimorfismos de un solo nucleótido (SNP), variaciones que representan aproximadamente el 90 por ciento de la variación genética humana, podría usarse para determinar la propensión de un paciente a una enfermedad, o su probabilidad de beneficiarse de una intervención en particular. La nueva tecnología de biosensores podría permitir a los cuidadores producir y analizar mapas SNP en el punto de atención.

Aunque quedan muchos desafíos técnicos, la capacidad de detectar miles de marcadores de enfermedades en tiempo real ha entusiasmado a científicos biomédicos como McDonald.

"Con suficientes sensores allí, teóricamente podrías poner todas las combinaciones posibles en la matriz, " él dijo. “Esto no se ha considerado posible hasta ahora porque probablemente no sea factible hacer una matriz lo suficientemente grande para detectarlos a todos con la tecnología actual. Pero con la tecnología microelectrónica, puedes incluir fácilmente todas las combinaciones posibles, y eso cambia las cosas ".

Los artículos que describen el dispositivo biosensor se presentaron en la Conferencia de Tecnología y Componentes Electrónicos y en la Conferencia Internacional de Tecnología de Interconexión en junio de 2010.