Los primeros chips biosensores basados en grafeno y sus derivados fueron presentados por el MIPT en el Open Innovations 2015 Forum and Technology Show (28 de octubre - 1 de noviembre de 2015, Moscú, Rusia).
El Instituto de Física y Tecnología de Moscú (MIPT) está patentando chips biosensores basados en grafeno, óxido de grafeno y nanotubos de carbono que mejorarán el análisis de reacciones bioquímicas y acelerarán el desarrollo de nuevos fármacos.
La Oficina de Patentes de EE. UU. Ha publicado recientemente la solicitud de patente (núm. US 2015/0301039), que fue presentado por el MIPT en mayo de este año y se titula "Sensor biológico y un método de producción de sensor biológico". En Rusia, este desarrollo ya está protegido por la patente No. 2527699 con fecha de prioridad 20 de febrero, 2013. La característica clave del sensor es el uso de una capa de enlace para la inmovilización de biomoléculas que comprende una película delgada de grafeno u óxido de grafeno.
El grafeno es el primer cristal verdaderamente bidimensional, que se obtuvo experimentalmente e investigó con respecto a sus propiedades químicas y físicas únicas. En 2010, dos antiguos alumnos del MIPT, Andre Geim y Konstantin Novoselov, fueron galardonados con el Premio Nobel de Física "por experimentos innovadores relacionados con el material bidimensional grafeno". Ahora ha habido un aumento considerable en el número de estudios de investigación destinados a encontrar aplicaciones comerciales para el grafeno y otros materiales bidimensionales. Se cree que una de las aplicaciones más prometedoras del grafeno son las tecnologías biomédicas, que es lo que están investigando los investigadores del Laboratorio de Nanoóptica y Plasmónica del Centro de Excelencia para Optoelectrónica a Nanoescala del MIPT.
Los biosensores sin etiquetas son relativamente nuevos en los laboratorios bioquímicos y farmacéuticos, y han hecho el trabajo mucho más fácil. Los sensores permiten a los investigadores detectar concentraciones bajas de sustancias moleculares biológicamente significativas (ARN, ADN proteínas, incluyendo anticuerpos y antígenos, virus y bacterias) y estudiar sus propiedades químicas. A diferencia de otros métodos bioquímicos, Los marcadores fluorescentes o radiactivos no son necesarios para estos biosensores. lo que facilita la realización de un experimento, y también reduce la probabilidad de datos erróneos debido a los efectos que tienen las etiquetas en las reacciones bioquímicas. Las principales aplicaciones de esta tecnología se encuentran en la investigación científica y farmacéutica, diagnósticos médicos, control de la calidad de los alimentos y detección de toxinas. Los biosensores sin etiqueta ya han demostrado su eficacia como método para obtener los datos más fiables sobre farmacocinética y farmacodinámica de fármacos en estudios preclínicos. Las ventajas de este método se explican por el hecho de que la cinética de las reacciones bioquímicas del ligando (sustancia activa) con diferentes dianas se puede observar en tiempo real, que permite a los investigadores obtener datos más precisos sobre las velocidades de reacción, que no era posible anteriormente. Los datos obtenidos dan información sobre la eficacia de un fármaco y también su toxicidad, si los objetivos son células "sanas" o sus partes, cual la droga, idealmente, no debería afectar.
Vista esquemática en sección transversal del chip biosensor de grafeno de la solicitud de patente de EE. UU. Núm. 2015/0301039 (octubre de 2015).
La mayoría de los biosensores sin etiquetas se basan en el uso de espectroscopía de resonancia de plasmón de superficie (SPR). Los parámetros de "resonancia" dependen de las propiedades de la superficie hasta tal punto que incluso trazas de sustancias "extrañas" pueden afectarlos significativamente. Los biosensores pueden detectar una billonésima de gramo de una sustancia detectable en un área de un milímetro cuadrado.
Los dispositivos comerciales de este tipo se venden en un formato similar al modelo de negocio "navaja de afeitar", que incluye un instrumento y consumibles muy costosos. El instrumento es el biosensor en sí mismo, que comprende la óptica, microfluidos y electronica. Los consumibles para biosensores son chips sensores compuestos por un sustrato de vidrio, fina película de oro y una capa de enlace para la adsorción de biomoléculas. Los chips de sensores utilizan actualmente dos tipos de tecnología de capa de enlace que se desarrollaron hace más de 20 años y se basan en una capa de moléculas de tiol autoensambladas, o una capa de hidrogel (generalmente carboximetil dextrano). El beneficio que las empresas han obtenido de la venta de biosensores y consumibles se distribuye uniformemente en una proporción de 50:50.
Los autores de la patente, Aleksey Arsenin y Yury Stebunov, están proponiendo una alternativa a los chips sensores existentes para biosensores basados en resonancia de plasmón de superficie. Bajo ciertas condiciones, El uso de grafeno o de óxido de grafeno como capa de unión entre la película metálica y una capa biológica compuesta por moléculas dianas puede mejorar significativamente la sensibilidad de la biodetección. Los chips del sensor de grafeno se probaron en biosensores Biacore T200 (General Electric Company) y BiOptix 104sa.
El uso de chips sensores de óxido de grafeno para analizar las reacciones de hibridación del ADN se describe en detalle en un artículo reciente de los autores en la revista de la American Chemical Society. Interfaces y materiales aplicados ACS . Además de un mayor nivel de sensibilidad que productos comerciales similares, los chips sensores propuestos poseen la propiedad requerida de bioespecificidad y se pueden usar varias veces, lo que reduce en gran medida los costes de realizar estudios bioquímicos utilizando los chips.
El uso de grafeno aumenta la sensibilidad de los análisis realizados mediante espectroscopia SPR más de diez veces, que revolucionará el campo de la biodetección farmacéutica. La aplicación de biosensores se limita actualmente a analizar productos biológicos basados en moléculas grandes, mientras que más de la mitad de los medicamentos producidos cada año tienen un peso molecular bajo (no más de unos pocos cientos de Dalton). La inmovilización de objetivos de fármacos en la superficie de un chip de grafeno permitirá a los científicos probar la interacción entre objetivos y moléculas pequeñas. Un ejemplo de esto podría ser el desarrollo de fármacos que actúan sobre receptores acoplados a proteínas G (GPCR), que son actualmente el objetivo del 40% de los medicamentos en el mercado. Actualmente, no se realizan estudios farmacéuticos de fármacos que actúan sobre los GPCR utilizando SPR debido a la sensibilidad insuficiente del método. Por tanto, se espera que el uso de biosensores de grafeno en estudios farmacéuticos ayude a acelerar el desarrollo de fármacos y a superar enfermedades peligrosas que no pueden tratarse con los fármacos actualmente en el mercado farmacéutico.
Los autores continúan trabajando para mejorar su desarrollo y esperan que, para ciertas reacciones, Los chips biosensores basados en los nuevos materiales de carbono proporcionarán un nivel de sensibilidad que es decenas o cientos de veces mayor que el de productos comerciales similares actualmente en el mercado. También están considerando la posibilidad de comercializar chips de grafeno. Solo en 2014, se gastaron aproximadamente 10 mil millones de dólares estadounidenses en estudios preclínicos. Según estimaciones, el mercado anual de chips biosensores tiene un valor total de aproximadamente 300 millones de dólares estadounidenses. Las excelentes propiedades de los chips biosensores de grafeno les permitirán competir fuertemente con los tipos de chips existentes, hasta un tercio de todo el mercado.
