Los sensores electroquímicos portátiles son parte de la rutina diaria de millones de personas con diabetes en todo el mundo que controlan sus niveles de azúcar en sangre con glucómetros eléctricos. Si bien estos sensores han revolucionado las pruebas médicas en el hogar para diabéticos, aún no se han aplicado con éxito para diagnosticar otras afecciones. Los sensores como los glucómetros detectan la glucosa en sangre en función de la actividad de una enzima, y hay solo un número limitado de enzimas que pueden usarse para detectar biomarcadores de enfermedades humanas. Se ha investigado una estrategia de detección alternativa basada en eventos de unión entre anticuerpos y sus dianas moleculares para expandir el uso de sensores electroquímicos para la medicina. pero estos sensores son víctimas de la rápida acumulación de sustancias "incrustantes" de los fluidos biológicos en sus superficies conductoras, que los desactivan. Los recubrimientos antiincrustantes existentes son difíciles de fabricar en masa, sufren problemas de calidad y consistencia, y no son muy eficaces.

Ahora, una nueva tecnología de plataforma de diagnóstico desarrollada por investigadores del Instituto Wyss de Ingeniería Inspirada Biológicamente en la Universidad de Harvard conocida como "eRapid" permite la creación de bajo costo, Dispositivos electroquímicos portátiles que pueden detectar simultáneamente una amplia gama de biomarcadores con alta sensibilidad y selectividad en fluidos biológicos complejos. usando tan solo una gota de sangre. La tecnología se describe en el número más reciente de Nanotecnología de la naturaleza .

"Siempre que exista un anticuerpo para una molécula objetivo determinada, eRapid puede detectarlo, "dijo el coautor Pawan Jolly, Doctor., un científico investigador sénior en el Instituto Wyss. "Al resolver el problema de la bioincrustación con un diseño simple pero robusto, ahora podemos producir fácilmente sensores bioquímicos en masa para una amplia variedad de aplicaciones a bajo costo ".

El desafío en el desarrollo del recubrimiento antiincrustante fue evitar la acumulación de sustancias fuera del objetivo en los electrodos metálicos del sensor mientras se mantenía su conductividad para permitir la detección del objetivo. Después de experimentar con una variedad de recetas, el equipo de investigación desarrolló un sencillo poroso, Matriz tridimensional compuesta por albúmina de suero bovino (BSA) reticulada con glutaraldehído y sostenida por una red de nanomateriales conductores, como nanocables de oro o nanotubos de carbono. El tamaño de poro pequeño del tamaño de la matriz de BSA excluye las proteínas que se encuentran en la sangre y el plasma, y la débil carga negativa de BSA evita la fuerte adhesión de biomoléculas cargadas positivamente al sensor.

Cuando los investigadores probaron sus sensores recubiertos de nanomateriales en suero y plasma sanguíneo humano, retuvieron más del 90% de su capacidad para detectar señales incluso después de haber estado almacenados durante un mes en esos biofluidos, Considerando que los sensores recubiertos con los mejores recubrimientos antiincrustantes publicados anteriormente perdieron una sensibilidad de señal significativa cuando se incubaron durante una hora, y fueron completamente inactivados después de un día.

Para funcionalizar los sensores revestidos, los investigadores adjuntaron anticuerpos a la superficie del recubrimiento de nanomateriales en la parte superior del electrodo, y usó un "ensayo sándwich" para convertir el evento de unión del anticuerpo en una señal química que precipita sobre la superficie del electrodo, generando así una señal eléctrica. La magnitud de la señal eléctrica se correlaciona directamente con la cantidad de precipitado producido, y por lo tanto al número de moléculas diana unidas a los anticuerpos, permitiendo medir la concentración del objetivo.

El equipo demostró la utilidad comercial de este enfoque mediante la creación de un sensor multiplexado con tres electrodos separados, cada uno recubierto con la matriz de nanocables BSA / oro y una capa de anticuerpos contra una molécula diana específica clínicamente relevante:interleucina 6 (IL6), insulina, o glucagón. Cuando incubaron el sensor con las moléculas diana respectivas en plasma humano sin diluir, observaron excelentes señales eléctricas con sensibilidad de picogramos por ml. En cambio, los electrodos recubiertos con un recubrimiento antiincrustante "PEG-SAM" publicado no produjeron señales distintas, indicando que habían sido ensuciados irreversiblemente por moléculas fuera del objetivo en muestras de plasma humano. Además, Los sensores recubiertos de nanocables de oro / BSA se pueden lavar y reutilizar varias veces con una mínima pérdida de señal. permitiendo la monitorización en serie de biomarcadores de forma sencilla y económica.

Desde entonces, el equipo de Wyss ha podido detectar más de una docena de biomarcadores diferentes que van desde 100 Da a 150, 000 Da de tamaño con eRapid, y continúan experimentando con nanomateriales conductores para optimizar el recubrimiento del electrodo y el rendimiento del sistema, así como reducir el costo aún más. Están explorando activamente las opciones de comercialización de eRapid en el espacio de diagnóstico portátil en el punto de atención. pero también esperamos extender la plataforma de tecnología de sensores y recubrimientos a otros objetivos y contextos, incluidos los diagnósticos intrahospitalarios, detección de toxinas ambientales, detección de moléculas pequeñas, y dispositivos médicos implantables.

Curiosamente, el equipo, dirigido por el director fundador del Instituto Wyss, Donald Ingber, MARYLAND., Doctor. - no se propuso originalmente con este objetivo en mente. Este trabajo comenzó porque necesitaban detectar simultáneamente múltiples biomoléculas producidas por varios tipos de células de tejido que crecen dentro de Órganos en chips humanos para evaluar de manera no invasiva su función y estado inflamatorio a lo largo del tiempo. El diminuto volumen de líquido que sale de los canales de los chips requería sensores altamente sensibles que también podían multiplexarse. lo que llevó a la creación de la tecnología actual.

"eRapid surgió de la búsqueda de una innovación que llevó a otra que tiene el potencial de transformar los diagnósticos médicos. Con suerte, esta sencilla tecnología permitirá grandes avances en nuestra capacidad para desarrollar dispositivos de diagnóstico portátiles que se puedan utilizar en casa, así como en farmacias, ambulancias, consultorios médicos, y departamentos de emergencia en un futuro próximo, ", dijo Ingber, quien también es profesor de Biología Vascular Judah Folkman en la Facultad de Medicina de Harvard y el Programa de Biología Vascular en el Boston Children's Hospital, y profesor de bioingeniería en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard.