El calentamiento suave de las láminas de óxido de grafeno permite unir compuestos particulares a la superficie de las láminas, muestra un nuevo estudio. Estos compuestos, a su vez, seleccionan y se unen a moléculas específicas de interés, incluyendo ADN y proteínas, o incluso células enteras. En esta imagen, el óxido de grafeno tratado de la derecha es casi el doble de eficiente para capturar células que el material no tratado de la izquierda.
Una sola celda puede contener una gran cantidad de información sobre la salud de un individuo. Ahora, un nuevo método desarrollado en el MIT y la Universidad Nacional Chiao Tung podría hacer posible capturar y analizar células individuales de una pequeña muestra de sangre, potencialmente conduciendo a sistemas de diagnóstico de muy bajo costo que podrían usarse en casi cualquier lugar.
El nuevo sistema, a base de láminas de óxido de grafeno especialmente tratadas, En última instancia, podría conducir a una variedad de dispositivos simples que podrían producirse por tan solo $ 5 cada uno y realizar una variedad de pruebas de diagnóstico sensibles incluso en lugares alejados de las instalaciones médicas típicas.
El material utilizado en esta investigación es una versión oxidada de la forma bidimensional de carbono puro conocida como grafeno. que ha sido objeto de una amplia investigación durante más de una década debido a sus características mecánicas y eléctricas únicas. La clave del nuevo proceso es calentar el óxido de grafeno a temperaturas relativamente suaves. Este recocido a baja temperatura, como se le conoce, permite unir compuestos particulares a la superficie del material. Estos compuestos, a su vez, seleccionan y se unen a moléculas específicas de interés, incluyendo ADN y proteínas, o incluso células enteras. Una vez capturado, esas moléculas o células pueden luego someterse a una variedad de pruebas.
Los hallazgos se informan en la revista. ACS Nano en un artículo escrito en coautoría por Neelkanth Bardhan, un postdoctorado del MIT, y Priyank Kumar PhD '15, ahora un postdoctorado en ETH Zurich; Angela Belcher, el profesor James Mason Crafts en ingeniería biológica y ciencia e ingeniería de materiales en el MIT y miembro del Instituto Koch para la Investigación Integrativa del Cáncer; Jeffrey Grossman, Morton and Claire Goulder and Family Professor en Environmental Systems en el MIT; Hidde L. Ploegh, profesor de biología y miembro del Instituto Whitehead de Investigación Biomédica; Guan-Yu Chen, profesor asistente de ingeniería biomédica en la Universidad Nacional Chiao Tung en Taiwán; y Zeyang Li, estudiante de doctorado en el Whitehead Institute.
Otros investigadores han estado tratando de desarrollar sistemas de diagnóstico utilizando un sustrato de óxido de grafeno para capturar células o moléculas específicas. pero estos enfoques usaban solo lo crudo, material sin tratar. A pesar de una década de investigación, otros intentos de mejorar la eficiencia de estos dispositivos se han basado en modificaciones externas, como el modelado de superficies a través de técnicas de fabricación litográfica, o agregando canales de microfluidos, que se suman al costo y la complejidad. El nuevo hallazgo ofrece una producción masiva, enfoque de bajo costo para lograr tales mejoras en la eficiencia.
El proceso de calentamiento cambia las propiedades de la superficie del material, haciendo que los átomos de oxígeno se agrupen, dejando espacios de grafeno desnudo entre ellos. Esto hace que sea relativamente fácil adherir otros productos químicos a la superficie, que puede interactuar con moléculas específicas de interés. La nueva investigación demuestra cómo ese proceso básico podría potencialmente habilitar un conjunto de sistemas de diagnóstico de bajo costo, por ejemplo, para la detección del cáncer o el seguimiento del tratamiento.
Para esta prueba de concepto, el equipo utilizó moléculas que pueden capturar de manera rápida y eficiente células inmunes específicas que son marcadores de ciertos cánceres. Pudieron demostrar que sus superficies de óxido de grafeno tratadas eran casi el doble de efectivas para capturar tales células de la sangre completa. en comparación con los dispositivos fabricados utilizando ordinario, óxido de grafeno sin tratar, dice Bardhan, el autor principal del artículo.
El sistema también tiene otras ventajas, Dice Bardhan. Permite la captura y evaluación rápida de células o biomoléculas en condiciones ambientales en aproximadamente 10 minutos y sin la necesidad de refrigerar muestras o incubadoras para un control preciso de la temperatura. Y todo el sistema es compatible con los métodos de fabricación a gran escala existentes, haciendo posible producir dispositivos de diagnóstico por menos de $ 5 cada uno, las estimaciones del equipo. Dichos dispositivos podrían usarse en pruebas en el punto de atención o en entornos con recursos limitados.
Los métodos existentes para tratar el óxido de grafeno para permitir la funcionalización de la superficie requieren tratamientos a alta temperatura o el uso de productos químicos agresivos. pero el nuevo sistema, que el grupo ha patentado, no requiere pretratamiento químico y una temperatura de recocido de solo 50 a 80 grados Celsius (122 a 176 F).
Si bien el método de procesamiento básico del equipo podría hacer posible una amplia variedad de aplicaciones, incluidas las células solares y los dispositivos emisores de luz, Para este trabajo, los investigadores se centraron en mejorar la eficiencia de la captura de células y biomoléculas que luego pueden someterse a una serie de pruebas. Lo hicieron recubriendo enzimáticamente la superficie de óxido de grafeno tratada con péptidos llamados nanocuerpos, subunidades de anticuerpos, que se pueden producir de forma económica y sencilla en grandes cantidades en biorreactores y son muy selectivos para biomoléculas particulares.
Los investigadores encontraron que aumentar el tiempo de recocido aumentaba constantemente la eficiencia de la captura de células:después de nueve días de recocido, la eficiencia de la captura de células de sangre completa pasó del 54 por ciento, para óxido de grafeno sin tratar, al 92 por ciento para el material tratado.
Luego, el equipo realizó simulaciones de dinámica molecular para comprender los cambios fundamentales en la reactividad del material base de óxido de grafeno. Los resultados de la simulación, que el equipo también verificó experimentalmente, sugirió que al recocer, la fracción relativa de un tipo de oxígeno (carbonilo) aumenta a expensas de los otros tipos de grupos funcionales de oxígeno (epoxi e hidroxilo) como resultado de la agrupación de oxígeno. Este cambio hace que el material sea más reactivo, lo que explica la mayor densidad de agentes de captura de células y una mayor eficiencia de captura de células.
"La eficiencia es especialmente importante si intentas detectar un evento poco común, ", Dice Belcher." El objetivo de esto era mostrar una alta eficiencia de captura ". El siguiente paso después de esta prueba de concepto básica, ella dice, es intentar hacer un detector que funcione para un modelo de enfermedad específico.
En principio, Bardhan dice:muchas pruebas diferentes podrían incorporarse en un solo dispositivo, todo lo cual podría colocarse en un pequeño portaobjetos de vidrio como los que se usan para microscopía.
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.
