Las propiedades únicas de la hoja de carbono del espesor de un átomo, conocida como grafeno, permitieron un nuevo biosensor multiplexado del tamaño de un centavo que es el primero en detectar subproductos opioides en aguas residuales, un equipo de investigadores de Boston College, Universidad de Boston y Giner Informe de laboratorios en la última edición en línea de la revista ACS Nano .

El novedoso dispositivo es el primero en utilizar transistores de efecto de campo basados ​​en grafeno para detectar cuatro opioides sintéticos y naturales diferentes a la vez, mientras los protege de los elementos agresivos de las aguas residuales. Cuando un metabolito opioide específico se adhiere a una sonda molecular en el grafeno, cambia la carga eléctrica del grafeno. Estas señales se leen fácilmente electrónicamente para cada sonda conectada al dispositivo.

"Este nuevo sensor que hemos desarrollado es capaz de medir los opioides en las aguas residuales de forma rápida, económica y sencilla", dijo el profesor de física del Boston College, Kenneth Burch, autor principal del informe. "Su sensibilidad y portabilidad permitirían la epidemiología basada en aguas residuales a escala local, tan específica como cuadra por cuadra o dormitorio por dormitorio, al tiempo que garantiza la privacidad".

El dispositivo responde a un desafío principal de la epidemia de opioides:determinar la cantidad y el tipo de drogas que se usan en una comunidad. Las preocupaciones por la privacidad y los recursos limitados son barreras para evaluar a grandes poblaciones. Un enfoque alternativo es la epidemiología basada en aguas residuales, similar a analizar las aguas residuales para medir los niveles de infección por coronavirus en la comunidad durante la pandemia.

"Las pruebas de aguas residuales son una estrategia emergente que puede vencer las limitaciones y el estigma asociado con las pruebas de drogas individuales, y proporciona una medida más objetiva del uso de drogas a nivel de vecindario", dijo Avni Argun, vicepresidente de materiales avanzados de Giner Labs, codirector de el proyecto. "Si bien las pruebas de aguas residuales se han realizado ampliamente en Europa, solo existen unos pocos estudios en los EE. UU. La naturaleza rápida y portátil del dispositivo del equipo permitiría realizar pruebas de población a gran escala a bajo costo y alta resolución geográfica".

El trabajo del equipo de Argun en Giner Labs, en Newton, Massachusetts, está financiado por el Instituto Nacional sobre el Abuso de Drogas de los NIH, que está trabajando con investigadores para desarrollar herramientas de ciudades inteligentes que ayuden a los programas de vigilancia de la salud pública que abordan el uso y el abuso de drogas. La financiación adicional para el proyecto provino de la Fundación Nacional de Ciencias, los Institutos Nacionales de Salud y la Oficina de Investigación Naval.

El prototipo del equipo podría proporcionar una herramienta más barata y rápida para que la usen los funcionarios de salud pública que intentan determinar el nivel de uso de opioides y el impacto de las intervenciones de tratamiento en toda la comunidad.

Si bien el grafeno se ha usado antes para detectar muestras biológicas, el trabajo del equipo es la primera demostración de que el material podría usarse con aguas residuales, dijo Burch.

Además, es la primera demostración del uso de transistores de efecto de campo basados ​​en grafeno, un dispositivo electrónico para leer la cantidad de carga, para detectar múltiples objetivos al mismo tiempo, según el informe.

El avance fue posible gracias al diseño y la implementación de la plataforma del sensor multiplexado electrónico de grafeno (GEMS), dijo Burch. La plataforma permite la detección de cuatro moléculas objetivo diferentes a la vez, mientras las protege de los elementos agresivos en las aguas residuales, muestras de las cuales fueron proporcionadas por el Centro de Pruebas del Sistema Séptico Alternativo de Massachusetts (MASSTC) en Cape Cod.

El equipo ajustó las sondas de grafeno con "aptámeros", hebras de ADN diseñadas para unirse solo a una molécula específica, en este caso, metabolitos de varios opioides en aguas residuales. Cuando el aptámero se une al fármaco, se pliega, aportando más carga al grafeno. La cantidad de carga en el grafeno se monitorea para detectar la presencia de un metabolito opioide específico, dijo Burch.

"Estos aptámeros se adjuntaron a nuestros dispositivos de grafeno y, al atrapar la droga, la carga inducida en el grafeno se leyó electrónicamente", dijo Burch. "Nuestro proceso de fabricación y diseño dieron como resultado un límite inferior de detección un orden de magnitud mejor que los informes anteriores de otros métodos".

Las herramientas de muestreo anteriores enfrentaban limitaciones porque requerían el envío de muestras y las pruebas en un entorno de laboratorio. Esos requisitos imponen costos que limitan la adopción y el uso generalizados en comunidades sin recursos suficientes. Al superar esos límites, el dispositivo de grafeno puede proporcionar un monitoreo casi en tiempo real en múltiples ubicaciones, lo que también podría ayudar a distribuir recursos como socorristas o estrategias de intervención específicas, dijo Burch.

"Este es el primer sensor de este tipo que puede lograrlo con una configuración tan simple y fácil de usar:una sola plataforma GEMS es del tamaño de un centavo", agregó Burch.

El éxito de GEMS fue el resultado de una colaboración a largo plazo dirigida por Burch, que reunió la experiencia en ADN del profesor asociado de biología de Boston College, Tim van Opijnen, el cultivo de grafeno por parte del químico de la Universidad de Boston, Xi Ling, y la experiencia en desarrollo de ensayos de biosensores de Argun y científicos de Laboratorios Giner.

Otros investigadores del proyecto incluyeron al estudiante graduado de Boston College Michael Geiwitz, el científico investigador Narendra Kumar, el estudiante universitario Matthew Catalan y el investigador postdoctoral Juan C. Ortiz-Márquez; Muhit Rana, Niazul Islam Khan, Andrew Weber y Badawi Dweik de Giner Labs; y el estudiante graduado de BU Hikari Kitadai.

Burch dijo que el equipo se sorprendió de lo bien que el dispositivo resistió el duro entorno de las aguas residuales. Dijo que su laboratorio está trabajando con Giner Labs bajo la financiación de investigación de innovación de pequeñas empresas (SBIR) de NIDA para desarrollar los dispositivos para un uso comercial eventual.

"También estamos trabajando para ver para qué más se puede usar la plataforma, como pruebas rápidas en el hogar de infecciones virales y/o la presencia de patógenos en las aguas residuales", dijo Burch. + Explora más

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