Los ingenieros de la Universidad de Duke han demostrado que los cubos de plata de tamaño nanométrico pueden hacer que las pruebas de diagnóstico que se basan en la fluorescencia sean más fáciles de leer al hacerlas más de 150 veces más brillantes. Combinado con una plataforma de diagnóstico emergente en el punto de atención que ya se ha mostrado capaz de detectar pequeños rastros de virus y otros biomarcadores, el enfoque podría permitir que tales pruebas fueran mucho más baratas y más generalizadas.

Los resultados aparecieron en línea el 6 de mayo en la revista. Nano letras .

La plasmónica es un campo científico que atrapa la energía en un circuito de retroalimentación llamado plasmón en la superficie de los nanocubos de plata. Cuando se intercalan moléculas fluorescentes entre uno de estos nanocubos y una superficie metálica, la interacción entre sus campos electromagnéticos hace que las moléculas emitan luz con mucha más fuerza. Maiken Mikkelsen, el Profesor Asociado James N. y Elizabeth H. Barton de Ingeniería Eléctrica e Informática en Duke, ha estado trabajando con su laboratorio en Duke para crear nuevos tipos de cámaras hiperespectrales y señales ópticas ultrarrápidas usando plasmónicos durante casi una década.

Al mismo tiempo, investigadores en el laboratorio de Ashutosh Chilkoti, el Profesor Distinguido Alan L.Kaganov de Ingeniería Biomédica, he estado trabajando en un autocontenido, prueba de diagnóstico en el lugar de atención que puede detectar trazas de biomarcadores específicos de fluidos biomédicos como la sangre. Pero debido a que las pruebas se basan en marcadores fluorescentes para indicar la presencia de biomarcadores, ver la tenue luz de una prueba apenas positiva requiere equipos costosos y voluminosos.

"Nuestra investigación ya ha demostrado que los plasmónicos pueden mejorar el brillo de las moléculas fluorescentes decenas de miles de veces, ", dijo Mikkelsen." Usarlo para mejorar los ensayos de diagnóstico que están limitados por su fluorescencia fue claramente una idea muy emocionante ".

"No hay muchos ejemplos de personas que utilicen fluorescencia mejorada con plasmón para diagnósticos en el lugar de atención, y los pocos que existen aún no se han implementado en la práctica clínica, "añadió Daria Semeniak, estudiante de posgrado en el laboratorio de Chilkoti. "Nos ha llevado un par de años, pero creemos que hemos desarrollado un sistema que puede funcionar ".

En el nuevo periódico, Los investigadores del laboratorio de Chilkoti construyen su plataforma de diagnóstico súper sensible llamada Ensayo D4 en una película delgada de oro, el yin preferido al yang del nanocubo de plata plasmónica. La plataforma comienza con una fina capa de recubrimiento de cepillo de polímero, lo que evita que cualquier cosa se adhiera a la superficie dorada que los investigadores no quieren que se adhiera allí. Luego, los investigadores usan una impresora de inyección de tinta para unir dos grupos de moléculas diseñadas para adherirse al biomarcador que la prueba está tratando de detectar. Un juego se adhiere permanentemente a la superficie de oro y atrapa una parte del biomarcador. El otro se lava de la superficie una vez que comienza la prueba, se adhiere a otra parte del biomarcador, y parpadea la luz para indicar que ha encontrado su objetivo.

Después de que pasen varios minutos para permitir que ocurran las reacciones, el resto de la muestra se lava, dejando atrás solo las moléculas que han logrado encontrar sus coincidencias de biomarcadores, flotando como faros fluorescentes atados a un suelo dorado.

"El significado real del ensayo es el recubrimiento con cepillo de polímero, ", dijo Chilkoti." El cepillo de polímero nos permite almacenar todas las herramientas que necesitamos en el chip, manteniendo un diseño simple ".

Si bien el ensayo D4 es muy bueno para capturar pequeños rastros de biomarcadores específicos, si solo hay trazas, las balizas fluorescentes pueden resultar difíciles de ver. El desafío para Mikkelsen y sus colegas fue colocar sus nanocubos de plata plasmónicos sobre las balizas de tal manera que sobrecarguen la fluorescencia de las balizas.

Pero como suele ser el caso, Esto era más fácil decirlo que hacerlo.

"La distancia entre los nanocubos de plata y la película de oro determina cuánto más brillante se vuelve la molécula fluorescente, "dijo Daniela Cruz, un estudiante graduado que trabaja en el laboratorio de Mikkelsen. "Nuestro desafío consistía en hacer que el recubrimiento de cepillo de polímero fuera lo suficientemente grueso para capturar los biomarcadores, y solo los biomarcadores de interés, pero lo suficientemente delgado como para mejorar las luces de diagnóstico".

Los investigadores intentaron dos enfoques para resolver este acertijo de Ricitos de Oro. Primero agregaron una capa electrostática que se une a las moléculas detectoras que transportan las proteínas fluorescentes, creando una especie de "segundo piso" en el que los nanocubos de plata podrían sentarse encima. También intentaron funcionalizar los nanocubos de plata para que se adhirieran directamente a las moléculas detectoras individuales de forma individualizada.

Si bien ambos enfoques lograron aumentar la cantidad de luz proveniente de las balizas, el primero mostró la mejor mejora, aumentando su fluorescencia en más de 150 veces. Sin embargo, este método también requiere un paso adicional para crear un "segundo piso, "lo que agrega otro obstáculo a la ingeniería de una manera de hacer que esto funcione en un diagnóstico comercial en el punto de atención en lugar de solo en un laboratorio. Y aunque la fluorescencia no mejoró tanto en el segundo enfoque, la precisión de la prueba lo hizo.

"La construcción de dispositivos de laboratorio en un chip de microfluidos mediante cualquiera de estos enfoques requeriría tiempo y recursos, pero ambos son factibles en teoría, "dijo Cassio Fontes, estudiante de posgrado en el laboratorio de Chilkoti. "Eso es hacia lo que se está moviendo el Ensayo D4".

Y el proyecto avanza. A principios de año, los investigadores utilizaron los resultados preliminares de esta investigación para asegurar un período de cinco años, Premio de investigación R01 de $ 3.4 millones del National Heart, Pulmón, e Instituto de Sangre. Los colaboradores trabajarán para optimizar estas mejoras de fluorescencia mientras integran pozos, canales de microfluidos y otras soluciones de bajo costo en un dispositivo de diagnóstico de un solo paso que puede ejecutar todos estos pasos automáticamente y ser leídos por una cámara de teléfono inteligente común en un dispositivo de bajo costo.

"Uno de los grandes desafíos de las pruebas en el lugar de atención es la capacidad de leer los resultados, que generalmente requiere detectores muy costosos, ", dijo Mikkelsen." Ese es un obstáculo importante para tener pruebas desechables que permitan a los pacientes controlar las enfermedades crónicas en el hogar o para su uso en entornos de bajos recursos. Vemos esta tecnología no solo como una forma de sortear ese cuello de botella, sino también como una forma de mejorar la precisión y el umbral de estos dispositivos de diagnóstico ".