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 dependen de la fluorescencia sean más fáciles de leer al hacer que sean más de 150 veces más brillantes. Combinado con una plataforma emergente de diagnóstico de punto de atención que ya se muestra capaz de detectar pequeños rastrosde virus y otros biomarcadores, el enfoque podría permitir que tales pruebas se vuelvan mucho más baratas y más generalizadas.
Los resultados aparecieron en línea el 6 de mayo en la revista Nano letras .
Plasmonics es un campo científico que atrapa energía en un circuito de retroalimentación llamado plasmón sobre la superficie de los nanocubos de plata. Cuando las moléculas fluorescentes se intercalan entre uno de estos nanocubos y una superficie metálica, la interacción entre sus campos electromagnéticos hace que las moléculas emitanMaiken Mikkelsen, profesora asociada de ingeniería eléctrica e informática de James N. y Elizabeth H. Barton en Duke, ha estado trabajando con su laboratorio en Duke para crear nuevos tipos de cámaras hiperespectrales y señales ópticas ultrarrápidas utilizando plasmónicos durante casiuna década.
Al mismo tiempo, los investigadores en el laboratorio de Ashutosh Chilkoti, el distinguido profesor de ingeniería biomédica Alan L. Kaganov, han estado trabajando en una prueba de diagnóstico autónoma en el punto de atención que puede detectar trazas de cantidades específicasbiomarcadores de fluidos biomédicos como la sangre. Pero debido a que las pruebas se basan en marcadores fluorescentes para indicar la presencia de los biomarcadores, ver la tenue luz de una prueba apenas positiva requiere un equipo costoso y voluminoso.
"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 el diagnóstico en el punto de atención, y los pocos que existen todavía no se han implementado en la práctica clínica", agregó Daria Semeniak, una estudiante graduada en el laboratorio de Chilkoti"Nos tomó un par de años, pero creemos que hemos desarrollado un sistema que puede funcionar".
En el nuevo artículo, los investigadores del laboratorio Chilkoti construyen su plataforma de diagnóstico súper sensible llamada Ensayo D4 sobre una delgada película de oro, el yin preferido al yang del nanocubo de plata plasmónica. La plataforma comienza con una delgada capa de cepillo de polímerorecubrimiento, que evita que cualquier cosa se adhiera a la superficie dorada que los investigadores no quieren pegar allí. Luego, los investigadores usan una impresora de chorro de tinta para unir dos grupos de moléculas diseñadas para engancharse en el biomarcador que la prueba está tratando dedetectar. Un conjunto se une permanentemente a la superficie dorada y atrapa una parte del biomarcador. El otro se lava de la superficie una vez que comienza la prueba, se adhiere a otra pieza 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 solo las moléculas que han logrado encontrar sus marcadores biomarcadores, flotando como balizas fluorescentes atadas a un piso dorado.
"La importancia 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 pequeñas trazas de biomarcadores específicos, si solo hay pequeñas cantidades, las balizas fluorescentes pueden ser difíciles de ver. El desafío para Mikkelsen y sus colegas fue colocar sus nanocubos de plata plasmónica por encima de las balizasde tal manera que sobrealimentaron la fluorescencia de las balizas.
Pero como suele ser el caso, fue más fácil decirlo que hacerlo.
"La distancia entre los nanocubos de plata y la película de oro dicta cuánto más brillante se vuelve la molécula fluorescente", dijo Daniela Cruz, una estudiante graduada que trabaja en el laboratorio de Mikkelsen. "Nuestro desafío era hacer que la capa de cepillo de polímero fuera lo suficientemente gruesa para capturar elbiomarcadores, y solo los biomarcadores de interés, pero lo suficientemente delgados como para mejorar las luces de diagnóstico ".
Los investigadores intentaron dos enfoques para resolver este enigma 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" sobre el cual los nanocubos de plata podrían sentarse encima.También traté de funcionalizar los nanocubos de plata para que se adhirieran directamente a las moléculas detectoras individuales de forma individual.
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 forma de hacer que esto funcione en un diagnóstico comercial de 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 sí lo hizo.
"La construcción de dispositivos microfluídicos de laboratorio en un chip a través de cualquiera de los enfoques tomaría tiempo y recursos, pero ambos son factibles en teoría", dijo Cassio Fontes, un estudiante graduado en el laboratorio Chilkoti. "Eso es lo que el ensayo D4"se está moviendo hacia "
Y el proyecto está avanzando. A principios de año, los investigadores utilizaron los resultados preliminares de esta investigación para obtener un premio de investigación R01 por cinco años y $ 3.4 millones del Instituto Nacional del Corazón, los Pulmones y la Sangre. Los colaboradores trabajaránpara optimizar estas mejoras de fluorescencia al tiempo que integra pozos, canales microfluídicos y otras soluciones de bajo costo en un dispositivo de diagnóstico de un solo paso que puede ejecutar todos estos pasos automáticamente y ser leído por una cámara de teléfono inteligente común en un dispositivo de bajo costo.
"Uno de los grandes desafíos en las pruebas de punto de atención es la capacidad de leer los resultados, que generalmente requieren detectores muy caros", dijo Mikkelsen. "Ese es un obstáculo importante para tener pruebas desechables que permitan a los pacientes monitorear enfermedades crónicasen casa o para usar 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 ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Duke . Original escrito por Ken Kingery. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :