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Combina tecnologia del DNA e punti quantistici per rilevare livelli ultra-bassi di biomarcatori; Potenziali applicazioni nella diagnosi precoce del cancro, nel monitoraggio delle malattie e nella rilevazione dei virus.
I ricercatori hanno sviluppato un sensore luminoso altamente sensibile che può rilevare concentrazioni estremamente basse di biomarcatori tumorali nel sangue.
La nuova tecnologia potrebbe un giorno rendere possibile individuare i primi segni di cancro e altre condizioni tramite un semplice esame del sangue.
Biomarcatori come proteine, DNA o altre molecole possono essere utilizzati per rivelare la presenza, la progressione o il rischio di cancro e altre malattie.
Tuttavia, una delle principali sfide nella diagnosi precoce delle malattie è la concentrazione estremamente bassa di biomarcatori presenti all’inizio.
“Il nostro sensore combina nanostrutture composte da DNA con punti quantici e la tecnologia di editing genico CRISPR per rilevare segnali biomarcatori deboli utilizzando un approccio basato sulla luce noto come seconda generazione armonica (SHG)”, ha dichiarato il responsabile del team di ricerca Han Zhang dell’Università di Shenzhen in Cina. “Se avrà successo, questo approccio potrebbe aiutare a semplificare i trattamenti delle malattie, potenzialmente migliorare i tassi di sopravvivenza e ridurre i costi sanitari complessivi.”
Su Optica, la rivista di Optica Publishing Group per la ricerca ad alto impatto, Zhang e colleghi dimostrano che il loro sensore può rilevare biomarcatori per il cancro polmonare da campioni di pazienti a livelli sub-attomolari, producendo un segnale chiaro anche quando erano presenti solo poche molecole in un campione. La tecnica di rilevamento è stata progettata per essere programmabile, permettendo di rilevare virus, batteri o tossine ambientali, oltre a vari biomarcatori come quelli associati al morbo di Alzheimer.
“Per una diagnosi precoce, questo metodo promette di consentire semplici screening del sangue per il cancro ai polmoni prima che un tumore possa essere visibile in una TAC,” ha detto Zhang.
“Potrebbe anche aiutare a far avanzare le opzioni di trattamento personalizzate permettendo ai medici di monitorare i livelli di biomarcatori del paziente quotidianamente o settimanalmente per valutare l’efficacia del farmaco, invece di aspettare mesi per i risultati di imaging.”
Rilevare i biomarcatori di solito richiede l’amplificazione di piccole quantità di molecole, un processo che può richiedere tempo e essere costoso.
Nel nuovo lavoro, i ricercatori volevano sviluppare un approccio di rilevamento diretto che potesse identificare biomarcatori a bassa concentrazione senza fasi complesse di amplificazione.
Il nuovo sensore si basa sull’SHG, un processo ottico non lineare in cui la luce in ingresso viene convertita in luce a metà della lunghezza d’onda. In questo caso, la SHG si trova sulla superficie del materiale semiconduttore bidimensionale disolfuro di molibdeno (MoS₂).
I ricercatori hanno utilizzato tetraedri di DNA — nanostrutture autoassemblate, simili a piramidi, composte interamente da DNA — per ancorare minuscoli punti quantici a distanze precise dalla superficie MoS₂. I punti quantici potenziano il campo ottico locale, rafforzando il segnale SHG.
Successivamente hanno applicato l’editing genico CRISPR-Cas per rilevare biomarcatori specifici.
Quando la proteina Cas12a usata per CRISPR riconosce un biomarcatore bersaglio, taglia il DNA che tiene fermi i punti quantistici, causando una diminuzione misurabile del segnale SHG. Poiché il segnale SHG ha un rumore di fondo minimo, possono essere rilevate anche concentrazioni molto basse di biomarcatori.
“Invece di considerare il DNA solo come una sostanza biologica, lo usiamo come mattoni da costruzione programmabili, che ci permettono di assemblare i componenti del nostro sensore con precisione a livello nanometrico,” ha detto Zhang.
“Combinando il rilevamento ottico non lineare, che riduce efficacemente al minimo il rumore di fondo, con un design senza amplificazione, il nostro metodo offre un equilibrio distinto tra velocità e precisione.”
I ricercatori hanno testato il sensore utilizzandolo per rilevare il miR-21, un biomarcatore microRNA associato al cancro ai polmoni.
Dopo aver verificato che potesse rilevare questo marcatore in una semplice soluzione tampon, hanno anche dimostrato che poteva rilevare il biomarcatore nel siero umano di pazienti con cancro ai polmoni, simulando un vero esame del sangue.
“Il sensore ha funzionato eccezionalmente bene, dimostrando che integrare ottica, nanomateriali e biologia può essere una strategia efficace per ottimizzare un dispositivo”, ha detto Zhang. “Il sensore era anche molto specifico — ignorando altri filamenti di RNA simili e rilevando solo il bersaglio del cancro ai polmoni.”
Successivamente, i ricercatori intendono concentrarsi sulla miniaturizzazione dell’impianto ottico. Il loro obiettivo è trasformarlo in un dispositivo portatile che possa essere utilizzato al letto del paziente, in cliniche o anche in aree remote a basse risorse.
Immagine: Han Zhang, Shenzhen University
