Desarrollando una mejor nanosonda de diagnóstico

Mecanismo para generar superficies de oro nanoestructuradas y nanoporosas basado en el grabado preferencial y deposición del sustrato utilizando un surfactante que forma micelas en solución, cloruro de sodio y una sal de oro. Al aplicar pulsos eléctricos, primero, el cloruro se adsorbe en la superficie, luego el oro se graba, pero las micelas del tensioactivo lo capturan. Finalmente, se vuelve a depositar sobre el sustrato en el que crecen las nanoestructuras en el proceso. En la parte inferior, las micrografías electrónicas de barrido muestran la formación de nanoestructuras y nanoporos en la superficie a lo largo del proceso. Crédito:Instituto de Ciencias Básicas

Los biomarcadores son componentes que pueden estar presentes en muestras biológicas y están relacionados con enfermedades específicas. Por lo tanto, los médicos pueden analizar muestras biológicas de un paciente para verificar su estado de salud o para monitorear el progreso de una terapia específica. Por lo general, estas muestras deben purificarse y diluirse antes del análisis, y las técnicas de diagnóstico médico actuales dependen de las instalaciones y laboratorios de atención médica para estos análisis de rutina. Este es un proceso largo que requiere personal capacitado e instrumentación costosa para extraer, transportar, almacenar, procesar y analizar las muestras en ubicaciones centralizadas. Además, durante un período de crisis global como la actual pandemia, la presión de miles de solicitudes de análisis puede saturar y colapsar el sistema de atención médica.

Por otro lado, los dispositivos de punto de atención, que son pequeños instrumentos automatizados, son capaces de realizar diagnósticos en ubicaciones descentralizadas y pueden brindar respuestas rápidas. Un ejemplo de un dispositivo de este tipo es el medidor de glucosa que usan las personas con diabetes para controlar sus niveles de azúcar en la sangre. Estos dispositivos pueden superar las limitaciones inherentes de tener que procesar una muestra a través de un sistema centralizado, lo que permite que cualquier persona pueda controlar su salud desde casa, simplemente usando una pequeña muestra de sangre extraída con un pinchazo en el dedo.

Sin embargo, el desarrollo de estos dispositivos se ha visto obstaculizado por los desafíos técnicos relacionados con la medición de muestras biológicas. Los biomarcadores para algunas enfermedades e infecciones solo están presentes en las muestras en cantidades muy pequeñas, lo que a su vez impone el desafío de desarrollar técnicas de detección extremadamente sensibles. Si bien aumentar el área de superficie del biosensor puede aumentar la sensibilidad del instrumento, estas superficies tienden a obstruirse y contaminarse rápidamente, lo que las vuelve inutilizables.

Con este fin, el equipo dirigido por el profesor CHO, Yoon-Kyoung, del Centro de Materia Blanda y Viva del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) en Ulsan, Corea del Sur, desarrolló recientemente un biosensor utilizando un método para generar superficies nanoestructuradas y nanoporosas. Esta estrategia combinada no solo proporciona al sensor una sensibilidad sin precedentes, sino que también lo hace resistente al ensuciamiento por proteínas.

Si bien anteriormente no había un método conocido para crear electrodos de manera confiable utilizando sustratos nanoestructurados y nanoporosos, el equipo informó sobre un método simple para generar dichos materiales. El mecanismo se basa en la aplicación de pulsos eléctricos a una superficie plana de oro en presencia de cloruro de sodio y un tensioactivo que puede formar micelas en solución. Estos pulsos eléctricos impulsan una reacción preferencial para grabar y volver a depositar el oro de la superficie y, a su vez, hacer crecer nanoestructuras y formar los nanoporos. El uso de surfactante en forma de micelas es fundamental para el éxito de esta estrategia, ya que evita que el material que se está grabando se esparza durante el proceso, por lo que puede volver a depositarse.

La formación de estas nanoestructuras produjo una gran superficie que fue beneficiosa para aumentar la sensibilidad de los ensayos, mientras que la formación de sustratos de nanoporos fue ideal para evitar la contaminación de las muestras biológicas. Tanto las nanoestructuras como los beneficios combinados de los nanoporos fueron clave para el éxito de esta estrategia, que podría aplicarse para el análisis directo de muestras clínicas de plasma.

Los investigadores demostraron aún más esta nueva tecnología mediante la construcción de un biosensor para la detección del cáncer de próstata. El electrodo fue lo suficientemente sensible como para discriminar entre un grupo de cáncer de próstata y donantes sanos utilizando solo una pequeña cantidad de plasma sanguíneo o muestras de orina. No se usaron pasos de dilución o preprocesamiento, lo que significa que la tecnología podría usarse fácilmente para el diagnóstico de cáncer en el punto de atención.

El profesor Cho afirmó que "creemos que esta tecnología es esencial para el futuro desarrollo de dispositivos de punto de atención y pruebas de diagnóstico que funcionan con muestras biológicas. La capacidad de detectar bajas concentraciones de biomarcadores relevantes con un rendimiento robusto abre una puerta a posibilidades en el campo del diagnóstico de cáncer, patógenos y otras enfermedades".

Los resultados de esta investigación han sido publicados en Advanced Materials el 17 de mayo de 2022 y la ilustración asociada fue seleccionada para el frontispicio del número actual. + Explora más