Los físicos e ingenieros de la Universidad Case Western Reserve han desarrollado un sensor óptico, basado en metamateriales nanoestructurados, eso es 1 millón de veces más sensible que el mejor disponible actualmente, uno capaz de identificar una sola molécula liviana en una solución altamente diluida.

Su objetivo:proporcionar a los oncólogos una forma de detectar una sola molécula de una enzima producida por las células cancerosas circulantes. Tal detección podría permitir a los médicos diagnosticar a los pacientes con ciertos cánceres mucho antes de lo que es posible hoy en día. monitorear el tratamiento y la resistencia y más.

"El pronóstico de muchos cánceres depende de la etapa del cáncer en el momento del diagnóstico", dijo Giuseppe "Pino" Strangi, profesor de física en Case Western Reserve y líder de la investigación.

"Muy temprano, la mayoría de las células tumorales circulantes expresan proteínas de muy bajo peso molecular, menos de 500 Daltons, "Explicó Strangi." Estas proteínas suelen ser demasiado pequeñas y en una concentración demasiado baja para detectar con los métodos de prueba actuales, produciendo resultados falsos negativos.

"Con esta plataforma, hemos detectado proteínas de 244 Daltons, que debería permitir a los médicos detectar los cánceres antes; aún no sabemos cuánto antes, ", dijo." Esta plataforma de biosensores puede ayudar a desbloquear la próxima era de detección inicial del cáncer ".

Los investigadores creen que la tecnología de detección también será útil para diagnosticar y monitorear otras enfermedades.

Su investigación se publica en línea en la revista. Materiales de la naturaleza . Fue un excelente trabajo en equipo, Dijo Strangi. Trabajó con los investigadores postdoctorales Kandammathee Valiyaveedu Sreekanth y Efe Ilker, Estudiantes de doctorado Yunus Alapan y Mohamed ElKabbash, Profesor asistente de física Michael Hinczewski, Profesor adjunto de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial Umut Gurkan (co-PI) y Antonio De Luca, quien fue investigador visitante en el laboratorio de Strangi durante este estudio y ahora es profesor asociado de física en la Universidad de Calabria en Italia.

La ciencia

El nanosensor, que cabe en la palma de una mano, actúa como un tamiz biológico, aislar una pequeña molécula de proteína que pesa menos de 800 cuadrillonésimas de nanogramo de una solución extremadamente diluida.

Para hacer que el dispositivo sea tan sensible, El equipo de Strangi enfrentó dos barreras de larga data:las ondas de luz no pueden detectar objetos más pequeños que sus propias dimensiones físicas, que van hasta aproximadamente la mitad de una micra. Y las moléculas en soluciones diluidas flotan en movimiento browniano y es poco probable que caigan sobre la superficie del sensor.

Aprovechando herramientas de nanotecnología y acoplando un canal de microfluidos con un material de ingeniería llamado metamaterial, el científico superó los límites.

El canal de microfluidos restringe la capacidad de las moléculas para flotar y las conduce al área de detección en la superficie del metamaterial.

El metamaterial está compuesto por un total de 16 capas nanoestructuradas de oro reflectante y conductor y óxido de aluminio transparente, un dieléctrico, cada decena de átomos de espesor. La luz dirigida hacia y a través de las capas se concentra en un volumen muy pequeño, mucho más pequeño que la longitud de onda de la luz.

La capa superior de oro está perforada con agujeros, creando una rejilla que difunde la luz que brilla sobre la superficie en dos dimensiones.

La luz entrante que tiene varios cientos de nanómetros de longitud de onda, parece estar confinado y concentrado en unos pocos nanómetros en la interfaz entre el oro y la capa dieléctrica.

Cuando la luz incide en el área de detección, excita electrones libres haciendo que oscilen y generen una onda de superficie de propagación altamente confinada, llamado polaritón de plasmón de superficie. Esta onda de superficie que se propaga, a su vez, excitará una onda masiva que se propagará a través de la plataforma de detección. La presencia de las ondas provoca caídas pronunciadas y profundas en el espectro de luz reflectante.

La combinación y la interacción del plasmón de superficie y las ondas de plasmón a granel son lo que hace que el sensor sea tan sensible. Dijo Strangi. Al excitar estas ondas a través de las ocho bicapas del metamaterial, crean modos resonantes notablemente nítidos.

Se pueden utilizar resonancias extremadamente nítidas y sensibles para detectar objetos más pequeños.

"Es extremadamente sensible, ", Dijo Strangi." Cuando una pequeña molécula aterriza en la superficie, resulta en una gran modificación local, haciendo que la luz cambie ".

El potencial

Dependiendo del tamaño de la molécula, la luz reflectante cambia en diferentes cantidades. Los investigadores esperan aprender a identificar moléculas específicas, comenzando con biomarcadores para diferentes cánceres, por sus cambios de luz.

Para agregar especificidad al sensor, el equipo agregó una capa de moléculas trampa, que son moléculas que se unen específicamente con las moléculas que cazan.

En pruebas, los investigadores utilizaron moléculas trampa para atrapar dos biomoléculas diferentes:albúmina de suero bovino, con un peso molecular de 66, 430 daltons, y biotina, con un peso molecular de 244 Daltons. Cada uno produjo un cambio de luz característico.

Otros investigadores han informado sobre el uso de biosensores basados ​​en plasmones para detectar biotina en soluciones en concentraciones que van desde más de 100 micromoles por litro a 10 micromoles por litro. Este dispositivo demostró ser 1 millón de veces más sensible, encontrar e identificar biotina a una concentración de 10 picomoles por litro.

Pruebas e implicaciones

En Cleveland, Strangi y Nima Sharifi, MARYLAND, co-líder del Programa de Cáncer Genitourinario para el Case Comprehensive Cancer Center, han comenzado a probar el sensor con proteínas relacionadas con los cánceres de próstata.

"Para algunos cánceres, como el cáncer colorrectal y de páncreas, la detección precoz es fundamental, "dijo Sharifi, quien también es el presidente de la familia Kendrick para la investigación del cáncer de próstata en la Clínica Cleveland. "La detección de alta sensibilidad de proteínas específicas del cáncer en la sangre debería permitir la detección de tumores cuando se encuentran en una etapa más temprana de la enfermedad.

"Esta nueva tecnología de detección puede ayudarnos no solo a detectar cánceres, pero qué subconjunto de cáncer, qué impulsa su crecimiento y propagación y a qué es sensible, ", dijo." El sensor, por ejemplo, puede ayudarnos a determinar los marcadores de cánceres de próstata agresivos, que requieren tratamientos, o formas indolentes que no lo hacen ".

El laboratorio de Strangi está trabajando con otros oncólogos en todo el mundo para probar el dispositivo y comenzar a mover el sensor hacia el uso clínico.

"Consideramos que esto es solo el comienzo de nuestra investigación, " él dijo.