Sensor óptico detecta biomarcadores de câncer no sangue em concentrações ultrabaixas

Pesquisadores desenvolveram um sensor óptico de alta sensibilidade capaz de detectar concentrações extremamente baixas de biomarcadores de câncer no sangue. Em um estudo publicado na revista Optica, os sensores foram capazes de identificar um biomarcador de câncer de pulmão em amostras de sangue mesmo quando apenas algumas moléculas estavam presentes, mostrando potencial para a detecção precoce do câncer quando os níveis de biomarcadores são baixos demais para serem encontrados por métodos convencionais.

O sensor detectou biomarcadores de câncer de pulmão de amostras de pacientes em níveis subattomolares, produzindo um sinal nítido mesmo quando apenas algumas moléculas estavam presentes em uma amostra. Biomarcadores como proteínas, DNA ou outras moléculas podem ser usados para revelar a presença, a progressão ou o risco de câncer e outras doenças. No entanto, um dos principais desafios no diagnóstico precoce é a concentração extremamente baixa de biomarcadores presente no início da doença.

"Nosso sensor combina nanoestruturas feitas de DNA com pontos quânticos e tecnologia de edição gênica CRISPR para detectar sinais fracos de biomarcadores usando uma abordagem óptica conhecida como geração de segundo harmônico (SHG)", disse o líder da equipe de pesquisa da Shenzhen University, na China. "Se for bem-sucedida, essa abordagem pode ajudar a tornar os tratamentos de doenças mais simples, potencialmente melhorar as taxas de sobrevivência e reduzir os custos gerais em saúde."

Os sensores são feitos de uma camada plana de dissulfeto de molibdênio, um material semicondutor com propriedades ideais para sustentar SHG — um fenômeno óptico que reduz pela metade o comprimento de onda da luz incidente. O novo sensor é baseado em SHG, um processo óptico não linear no qual a luz incidente é convertida em luz com metade do comprimento de onda.

Usando nanoestruturas de DNA em forma de pirâmides, os cientistas ancoraram pontos quânticos em locais precisos na superfície do sensor, aumentando a intensidade do sinal de SHG produzido. Os pesquisadores utilizaram tetraedros de DNA — nanoestruturas autoassembladas, semelhantes a pirâmides, feitas inteiramente de DNA — para prender pequenos pontos quânticos a distâncias precisas da superfície de MoS₂. Os pontos quânticos aumentam o campo óptico local, reforçando o sinal de SHG.

Com CRISPR, o sensor pode ser programado para reconhecer qualquer alvo desejado. Eles aplicaram a edição gênica CRISPR-Cas para detectar biomarcadores específicos. Quando a proteína Cas12a usada no CRISPR reconhece um biomarcador-alvo, ela corta o DNA que mantém os pontos quânticos no lugar, o que causa uma queda mensurável no sinal de SHG. Como o sinal de SHG tem ruído de fundo mínimo, até concentrações muito baixas de biomarcadores podem ser detectadas.

"Em vez de ver o DNA apenas como uma substância biológica, nós o usamos como blocos de construção programáveis, o que nos permite montar os componentes do nosso sensor com precisão em nível de nanômetro", disse o líder da equipe. "Ao combinar a detecção óptica não linear, que minimiza de forma eficaz o ruído de fundo, com um design sem amplificação, nosso método oferece um equilíbrio distinto entre velocidade e precisão."

Ao contrário dos métodos convencionais de detecção, que exigem a amplificação do alvo de DNA ou RNA para obter um sinal suficientemente forte, esses sensores quânticos conseguem detectar diretamente seu alvo mesmo em concentrações ultrabaixas. A detecção de biomarcadores geralmente requer amplificar quantidades mínimas de moléculas, um processo que pode ser demorado e caro. Assim, essa tecnologia pode tornar os fluxos de trabalho muito mais rápidos e acessíveis, ao mesmo tempo em que evita possíveis erros introduzidos por processos complexos de amplificação.

Os pesquisadores testaram o design do sensor programando-o para detectar miR-21, um biomarcador de microRNA ligado ao crescimento e à metástase do câncer de pulmão. Depois de verificar que ele conseguia detectar esse marcador em uma solução tampão simples, eles também demonstraram que era possível detectar o biomarcador em soro humano de pacientes com câncer de pulmão, simulando um exame de sangue real.

"O sensor funcionou excepcionalmente bem, mostrando que integrar óptica, nanomateriais e biologia pode ser uma estratégia eficaz para otimizar um dispositivo", disse o líder da equipe. "O sensor também foi altamente específico — ignorando outras fitas de RNA semelhantes e detectando apenas o alvo do câncer de pulmão."

A técnica de detecção foi projetada para ser programável, o que poderia permitir detectar vírus, bactérias ou toxinas ambientais, bem como diversos biomarcadores, como aqueles associados à doença de Alzheimer.

"Para o diagnóstico precoce, este método é promissor por possibilitar triagens sanguíneas simples para câncer de pulmão antes que um tumor possa estar visível em uma tomografia computadorizada", disse o líder da equipe. "Ele também pode ajudar a avançar opções de tratamento personalizado ao permitir que médicos monitorem os níveis de biomarcadores de um paciente diária ou semanalmente para avaliar a eficácia de medicamentos, em vez de esperar meses por resultados de imagem."

Daqui para frente, a equipe planeja continuar aprimorando o design do sensor e torná-lo menor, com o objetivo final de desenvolver um dispositivo portátil que possa ser usado facilmente tanto em ambientes clínicos quanto em locais remotos para apoiar a detecção precoce do câncer. Os pesquisadores planejam focar na miniaturização do arranjo óptico. O objetivo é transformá-lo em um dispositivo portátil que poderia ser usado à beira do leito, em clínicas ou até mesmo em locais remotos com poucos recursos.