Una prueba de laboratorio utilizada para detectar enfermedades y realizar investigaciones biológicas podría hacerse más de 3 millones de veces más sensible, según investigadores que combinaron herramientas biológicas estándar con un gran avance en nanotecnología.

El mayor rendimiento podría mejorar en gran medida la detección temprana del cáncer, La enfermedad de Alzheimer y otros trastornos al permitir que los médicos detecten concentraciones mucho más bajas de marcadores reveladores de lo que era práctico anteriormente.

El avance implica una prueba biológica común llamada inmunoensayo, que imita la acción del sistema inmunológico para detectar la presencia de biomarcadores, los químicos asociados con enfermedades. Cuando hay biomarcadores presentes en las muestras, como los tomados de los humanos, la prueba de inmunoensayo produce un resplandor fluorescente (luz) que se puede medir en un laboratorio. Cuanto mayor sea el resplandor, cuanto más biomarcador esté presente. Sin embargo, si la cantidad de biomarcador es demasiado pequeña, la luz fluorescente es demasiado débil para ser detectada, establecer el límite de detección. Un objetivo importante en la investigación de inmunoensayos es mejorar el límite de detección.

Los investigadores de Princeton abordaron esta limitación utilizando nanotecnología para amplificar en gran medida la tenue fluorescencia de una muestra. Al crear estructuras de vidrio y oro tan pequeñas que solo podían verse con un potente microscopio electrónico, los científicos pudieron aumentar drásticamente la señal de fluorescencia en comparación con los inmunoensayos convencionales, lo que lleva a una mejora de 3 millones de veces en el límite de detección. Es decir, el inmunoensayo mejorado requeriría la presencia de 3 millones de veces menos biomarcadores en comparación con un inmunoensayo convencional. (En términos técnicos, los investigadores midieron una mejora en el límite de detección de 0,9 nanomolares a 300 attomolares).

"Este avance abre muchas oportunidades nuevas y emocionantes para los inmunoensayos y otros detectores, así como en la detección temprana y el tratamiento de enfermedades, "dijo Stephen Chou, el Profesor Joseph C. Elgin de Ingeniería, quien dirigió el equipo de investigación. "Es más, el nuevo ensayo es muy fácil de usar, ya que para la persona que realiza la prueba, no habrá diferencia con el anterior:hacen el procedimiento exactamente de la misma manera ".

Los investigadores publicaron sus resultados en dos artículos de revistas recientes. Uno, publicado el 10 de mayo en Nanotecnología, describe la física y la ingeniería del material potenciador de la fluorescencia. El otro, publicado el 20 de abril en Analytical Chemistry, demuestra el efecto en inmunoensayos. Además de Chou, los autores incluyen investigadores postdoctorales Weihua Zhang, Liangcheng Zhou y Jonathan Hu y los estudiantes graduados Fei Ding, Wei Ding, Wen-Di Li y Yuxuan Wang.

El trabajo fue financiado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa y la Fundación Nacional de Ciencias.

La clave del avance radica en un nuevo nanomaterial artificial llamado D2PA, que ha estado en desarrollo en el laboratorio de Chou durante varios años. D2PA es una fina capa de nanoestructuras de oro rodeadas de pilares de vidrio de solo 60 nanómetros de diámetro. (Un nanómetro es una mil millonésima parte de un metro; eso significa aproximadamente 1, 000 de los pilares colocados uno al lado del otro serían tan anchos como un cabello humano). Los pilares están espaciados 200 nanómetros y cubiertos con un disco de oro en cada pilar. Los lados de cada pilar están salpicados de puntos dorados aún más pequeños, de unos 10 a 15 nanómetros de diámetro. En trabajos anteriores, Chou ha demostrado que esta estructura única impulsa la captación y transmisión de la luz de formas inusuales, en particular, un aumento de mil millones de veces en un efecto llamado dispersión Raman de superficie. El trabajo actual ahora demuestra una mejora de señal gigante con fluorescencia.

En un inmunoensayo típico, una muestra como sangre, Se extrae saliva u orina de un paciente y se agrega a pequeños viales de vidrio que contienen anticuerpos que están diseñados para "capturar" o unirse a biomarcadores de interés en la muestra. Luego se agrega a la mezcla otro conjunto de anticuerpos que se han marcado con una molécula fluorescente. Si los biomarcadores no están presentes en los viales, los anticuerpos de detección fluorescente no se adhieren a nada y se eliminan por lavado. La nueva tecnología desarrollada en Princeton permite ver la fluorescencia cuando muy pocos anticuerpos encuentran su marca.

Además de los usos de diagnóstico, Los inmunoensayos se utilizan comúnmente en el descubrimiento de fármacos y otras investigaciones biológicas. Más generalmente, la fluorescencia juega un papel importante en otras áreas de la química y la ingeniería, desde pantallas emisoras de luz hasta la captación de energía solar, y el material D2PA podría encontrar usos en esos campos, Dijo Chou.

Como próximos pasos en su investigación, Chou dijo que está realizando pruebas para comparar la sensibilidad del inmunoensayo mejorado con D2PA con un inmunoensayo convencional para detectar cánceres de mama y próstata. Además, está colaborando con investigadores del Memorial Sloan-Kettering Cancer Center en Nueva York para desarrollar pruebas para detectar proteínas asociadas con la enfermedad de Alzheimer en una etapa muy temprana.

"Puede tener una detección muy temprana con nuestro enfoque, " él dijo.