Sensor basado en luz detecta biomarcadores de cáncer a concentraciones ultra bajas en sangre

Investigadores han desarrollado un sensor altamente sensible basado en luz que puede detectar concentraciones extremadamente bajas de biomarcadores de cáncer en la sangre. En un estudio publicado en la revista Optica, los sensores fueron capaces de detectar un biomarcador de cáncer de pulmón en muestras de sangre incluso cuando solo unas pocas moléculas estaban presentes, mostrando potencial para la detección temprana del cáncer cuando los niveles de biomarcadores son demasiado bajos para ser encontrados mediante métodos convencionales.

El sensor detectó biomarcadores de cáncer de pulmón en muestras de pacientes a niveles sub-attomolares, produciendo una señal clara incluso cuando solo unas pocas moléculas estaban presentes en una muestra. Los biomarcadores como proteínas, ADN u otras moléculas pueden usarse para revelar la presencia, progresión o riesgo de cáncer y otras enfermedades. Sin embargo, uno de los principales desafíos en el diagnóstico temprano de enfermedades es la concentración extremadamente baja de biomarcadores presentes al inicio.

«Nuestro sensor combina nanoestructuras hechas de ADN con puntos cuánticos y tecnología de edición genética CRISPR para detectar señales débiles de biomarcadores usando un enfoque basado en luz conocido como generación de segundo armónico (SHG)», dijo el líder del equipo de investigación de la Universidad de Shenzhen en China. «Si tiene éxito, este enfoque podría ayudar a simplificar los tratamientos de enfermedades, potencialmente mejorar las tasas de supervivencia y reducir los costos generales de atención médica».

Los sensores están hechos de una capa plana de disulfuro de molibdeno, un material semiconductor con propiedades ideales para soportar SHG, un fenómeno óptico que reduce a la mitad la longitud de onda de la luz entrante. El nuevo sensor se basa en SHG, un proceso óptico no lineal en el que la luz entrante se convierte en luz a la mitad de la longitud de onda.

Usando nanoestructuras de ADN con forma de pirámides, los científicos fijaron puntos cuánticos en ubicaciones precisas sobre la superficie del sensor, mejorando la fuerza de la señal SHG producida. Los investigadores usaron tetraedros de ADN —nanoestructuras auto-ensambladas en forma de pirámide hechas completamente de ADN— para fijar diminutos puntos cuánticos a distancias precisas de la superficie de MoS₂. Los puntos cuánticos mejoran el campo óptico local, fortaleciendo la señal SHG.

Con CRISPR, el sensor puede programarse para reconocer cualquier objetivo deseado. Aplicaron la edición genética CRISPR-Cas para detectar biomarcadores específicos. Cuando la proteína Cas12a utilizada para CRISPR reconoce un biomarcador objetivo, corta el ADN que mantiene los puntos cuánticos en su lugar, lo que causa una caída medible en la señal SHG. Debido a que la señal SHG tiene un ruido de fondo mínimo, incluso concentraciones muy bajas de biomarcadores pueden detectarse.

«En lugar de ver el ADN solo como una sustancia biológica, lo usamos como bloques de construcción programables, permitiéndonos ensamblar los componentes de nuestro sensor con precisión a nivel de nanómetros», dijo el líder del equipo. «Al combinar la detección óptica no lineal, que minimiza eficazmente el ruido de fondo, con un diseño libre de amplificación, nuestro método ofrece un equilibrio distintivo de velocidad y precisión».

A diferencia de los métodos de detección convencionales que requieren la amplificación del objetivo de ADN o ARN para obtener una señal suficientemente fuerte, estos sensores cuánticos pueden detectar directamente su objetivo incluso a concentraciones ultra bajas. Detectar biomarcadores generalmente requiere amplificar cantidades pequeñas de moléculas, un proceso que puede ser lento y costoso. Esta tecnología podría, por lo tanto, hacer los flujos de trabajo mucho más rápidos y asequibles, a la vez que previene errores potenciales introducidos por flujos de trabajo de amplificación complejos.

Los investigadores probaron su diseño de sensor programándolo para detectar miR-21, un biomarcador de microARN vinculado al crecimiento y metástasis del cáncer de pulmón. Después de verificar que podía detectar este marcador en una solución tampón simple, también demostraron que podía detectar el biomarcador en suero humano de pacientes con cáncer de pulmón, simulando un análisis de sangre real.

«El sensor funcionó excepcionalmente bien, demostrando que integrar óptica, nanomateriales y biología puede ser una estrategia efectiva para optimizar un dispositivo», dijo el líder del equipo. «El sensor también fue altamente específico: ignoró otras cadenas de ARN similares y detectó solo el objetivo de cáncer de pulmón».

La técnica de detección fue diseñada para ser programable, lo que podría permitir detectar virus, bacterias o toxinas ambientales, así como diversos biomarcadores asociados con enfermedades como el Alzheimer.

«Para el diagnóstico temprano, este método es prometedor para permitir exámenes de sangre simples para cáncer de pulmón antes de que un tumor pueda ser visible en una tomografía computarizada», dijo el líder del equipo. «También podría ayudar a avanzar en opciones de tratamiento personalizadas al permitir a los médicos monitorear los niveles de biomarcadores del paciente diaria o semanalmente para evaluar la eficacia del medicamento, en lugar de esperar meses por resultados de imágenes».

En el futuro, el equipo planea continuar mejorando el diseño del sensor y haciéndolo más pequeño, con el objetivo final de desarrollar un dispositivo portátil que pueda usarse fácilmente tanto en entornos clínicos como en lugares remotos para apoyar la detección temprana del cáncer.