Los ingenieros biomédicos de la Universidad de Duke han diseñado un método para detectar simultáneamente la presencia de múltiples microARN específicos en ARN extraído de muestras de tejido sin la necesidad de etiquetado o amplificación objetivo. La técnica podría usarse para identificar biomarcadores tempranos de cáncer y otras enfermedades sinla necesidad de procesos complejos, costosos y costosos, y equipos de laboratorio especiales requeridos por las tecnologías actuales.
Los resultados aparecieron en línea el 4 de mayo en la revista Analista .
"El enfoque de investigación general en mi laboratorio ha sido la detección temprana de enfermedades en personas antes de que se den cuenta de que están enfermas", dijo Tuan Vo-Dinh, director del Instituto Fitzpatrick de Fotónica y R. Eugene y SusieE. Goodson Distinguido Profesor de Ingeniería Biomédica en Duke. "Y para hacer eso, necesitas poder ir río arriba, a nivel genómico, para mirar biomarcadores como microARN".
Los microARN son moléculas cortas de ARN que se unen al ARN mensajero y evitan que entreguen sus instrucciones a las máquinas productoras de proteínas del cuerpo. Esto podría silenciar efectivamente ciertas secciones de ADN o regular la expresión génica, alterando así el comportamiento de ciertas funciones biológicas. Másse han descubierto más de 2000 microARN en humanos que afectan el desarrollo, la diferenciación, el crecimiento y el metabolismo.
A medida que los investigadores descubrieron y aprendieron más sobre estos pequeños paquetes genéticos, muchos microARN se han relacionado con la regulación errónea de las funciones biológicas, lo que resulta en enfermedades que van desde tumores cerebrales hasta Alzheimer. Estos descubrimientos han llevado a un interés creciente en el uso de microARN como enfermedadbiomarcadores y dianas terapéuticas. Debido a las cantidades muy pequeñas de miRNAs presentes en las muestras corporales, los métodos tradicionales para estudiarlos requieren procesos de amplificación genética como la PCR de transcripción inversa cuantitativa qRT-PCR y la secuenciación de ARN.
Si bien estas tecnologías funcionan admirablemente en laboratorios bien equipados y estudios de investigación que pueden llevar meses o años, no son tan adecuadas para obtener resultados de diagnóstico rápidos en la clínica o en el campo. Para tratar de cerrar esta brecha enaplicabilidad, Vo-Dinh y sus colegas están recurriendo a nanostars doradas plateadas.
"Las nanoestrellas doradas tienen múltiples picos que pueden actuar como barras de iluminación para mejorar las ondas electromagnéticas, que es una característica única de la forma de la partícula", dijo Vo-Dinh, quien también tiene una cita en la facultad de química de Duke. "Nuestros pequeños nanosensores,llamados 'centinelas moleculares inversos', aprovechen esta capacidad para crear señales claras de la presencia de múltiples microARN ".
Si bien el nombre es un bocado, la idea básica del diseño del nanosensor es lograr que una molécula de etiqueta se mueva muy cerca de los picos de la estrella cuando se reconoce y captura un tramo específico de ARN objetivo. Cuando luego se ilumina un láser en elsensor disparado, el efecto del pararrayos de las puntas de la nanoestar hace que la molécula marcadora brille extremadamente brillante, lo que indica la captura del ARN objetivo.
Los investigadores configuraron este disparador atando una molécula de etiqueta a uno de los puntos de la nanoestar con un tramo de ADN. Aunque está construido para enroscarse en un bucle, el ADN se mantiene abierto mediante un "espaciador" de ARN que se adaptapara unirse con el microARN objetivo que se está probando. Cuando ese microARN pasa, se adhiere al espaciador y lo elimina, permitiendo que el ADN se enrosque en sí mismo en un bucle y ponga la molécula etiqueta en contacto cercano con la nanoestar.
Bajo excitación láser, esa etiqueta emite una luz llamada señal de Raman, que generalmente es muy débil. Pero la forma de las nanoestardas, y un efecto de acoplamiento de reacciones separadas causadas por las nanoestardas doradas y el recubrimiento de plata, amplifica las señales Ramanvarios millones de veces, haciéndolos más fáciles de detectar.
"Las señales Raman de las moléculas de la etiqueta exhiben picos agudos con colores muy específicos como huellas digitales espectrales que las hacen fácilmente distinguibles entre sí cuando se detectan", dijo Vo-Dinh. "Por lo tanto, en realidad podemos diseñar diferentes sensores para diferentes microRNAs en nanostars,cada uno con moléculas de etiqueta que exhiben sus propias huellas dactilares espectrales específicas. Y debido a que la señal es tan fuerte, podemos detectar cada una de estas huellas dactilares independientemente una de la otra ".
En este estudio clínico, Vo-Dinh y este equipo colaboraron con Katherine Garman, profesora asociada de medicina, y colegas del Duke Cancer Institute para usar la nueva plataforma de nanosensores para demostrar que pueden detectar miR-21, un microARN específico asociadocon estadios muy tempranos de cáncer de esófago, al igual que otros métodos de última generación más elaborados. En este caso, el uso de miR-21 solo es suficiente para distinguir las muestras de tejido sano de las muestras cancerosas. Para otras enfermedades,sin embargo, podría ser necesario detectar varios otros microARN para obtener un diagnóstico confiable, razón por la cual los investigadores están tan entusiasmados con la aplicabilidad general de sus nanobiosensores centinela moleculares inversos.
"Por lo general, tres o cuatro biomarcadores genéticos pueden ser suficientes para obtener un buen diagnóstico, y este tipo de biomarcadores pueden identificar inequívocamente cada enfermedad", dijo Vo-Dinh. "Es por eso que nos alienta la intensidad de la señal de nuestrolas nanoestar crean sin la necesidad de una amplificación de objetivos que requiere mucho tiempo. Nuestro método podría proporcionar una alternativa de diagnóstico a la histopatología y la PCR, simplificando así el proceso de prueba para el diagnóstico del cáncer ".
Durante más de tres años, Vo-Dinh ha trabajado con sus colegas y la Oficina de Licencias y Aventuras de Duke para patentar sus biosensores basados en nano estrellas. Con esa patente recientemente otorgada, los investigadores están entusiasmados por comenzar a probar los límites de las capacidades de su tecnologíay explorar las posibilidades de transferencia de tecnología con el sector privado.
"Tras estos resultados alentadores, ahora estamos muy entusiasmados de aplicar esta tecnología para detectar el cáncer de colon directamente de muestras de sangre en un nuevo proyecto financiado por los NIH", dijo Vo-Dinh. "Es muy difícil detectar directamente biomarcadores tempranos de cánceren la sangre antes de que se forme un tumor, pero tenemos grandes esperanzas "
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