Uno dei principali ostacoli alla diagnosi precoce delle malattie è la concentrazione estremamente bassa di biomarcatori presenti nelle prime fasi della malattia.
Infatti, i test tradizionali richiedono amplificazione molecolare (un processo costoso e lento) per rendere rilevabili questi segnali deboli.
Il gruppo guidato da Han Zhang dell'Università di Shenzhen, però, ha sviluppato un approccio radicalmente diverso che aggira questo problema.
Il sensore: tre tecnologie in una
L'innovazione di questo studio si articola in un'architettura complessa che fonde biologia e fisica ottica. Il cuore del sistema si basa su tre pilastri:
- nanostrutture di DNA (origami molecolari): il DNA non è visto solo come materiale genetico, ma come un "mattoncino Lego" programmabile. I ricercatori hanno costruito minuscole piramidi (tetraedri) per posizionare i componenti con precisione nanometrica;
- Punti Quantici e MoS₂: queste piramidi sorreggono dei punti quantici sopra una base di disolfuro di molibdeno (un semiconduttore 2D). Una configurazione che potenzia un fenomeno fisico chiamato Generazione di Seconda Armonica (SHG), una sorta di "eco luminosa" che amplifica il segnale eliminando quasi del tutto il rumore di fondo;
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- l'interruttore CRISPR: la celebre tecnologia di editing genetico funge qui da "sentinella". Quando la proteina Cas12a riconosce il biomarcatore bersaglio, taglia i filamenti di DNA, facendo cadere i punti quantici. Ciò provoca un calo immediato e misurabile della luce SHG, segnalando la presenza della malattia.
I risultati: sensibilità e test su pazienti reali
Il sensore può rilevare biomarcatori del cancro ai polmoni da campioni di pazienti a livelli sub-attomolari: ha mostrato anche alta accuratezza, rispondendo solo alla molecola bersaglio e ignorando quelle simili.
I ricercatori hanno testato il dispositivo sul miR-21, un microRNA biomarcatore associato al cancro al polmone: dopo aver confermato che funzionava in semplici soluzioni di laboratorio, hanno rilevato con successo lo stesso marcatore nel siero di pazienti oncologici.
In termini semplici, il dispositivo è così sensibile da identificare la presenza del cancro al polmone anche quando nel campione sono presenti pochissime molecole, superando i limiti della diagnostica attuale.
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Infatti, a differenza dei test attuali, che richiedono lunghi e costosi processi di amplificazione chimica per "ingrandire" il segnale molecolare, il sensore lavora in rilevamento diretto.
"Il nostro metodo offre un equilibrio ottimale tra velocità e precisione," spiega Zhang. "Invece di aspettare mesi per una TAC o per i risultati di biopsie complesse, potremmo monitorare l'efficacia di un farmaco su base settimanale o giornaliera attraverso un semplice prelievo di sangue."
Prospettive cliniche e di sviluppo
La tecnica di sensing è stata progettata per essere programmabile, il che potrebbe consentirle di rilevare virus, batteri o tossine ambientali, oltre a vari biomarcatori come quelli associati alla malattia di Alzheimer.
Il passo successivo è la miniaturizzazione dell'apparato ottico, con l'obiettivo di trasformarlo in un dispositivo portatile utilizzabile al letto del paziente, in clinica o anche in luoghi remoti con risorse limitate.
Fonti:
Optica - Sub-attomolar-level biosensing of cancer biomarkers using SHG modulation in DNA-programmable quantum dots/MoS2disordered metasurfaces