Os cientistas desenvolveram um poderoso sensor de luz que pode detectar quantidades extremamente pequenas de biomarcadores de câncer no sangue. A inovação poderá eventualmente permitir aos médicos identificar sinais de alerta precoce de cancro e outras doenças através de colheitas de sangue de rotina.
Biomarcadores como proteínas, fragmentos de DNA e outras moléculas podem sinalizar a presença, progressão ou risco de uma pessoa desenvolver câncer. A dificuldade é que nas fases iniciais da doença as concentrações destes marcadores são extremamente baixas, tornando-os difíceis de medir com ferramentas tradicionais.
“Nosso sensor combina nanoestruturas feitas de DNA com pontos quânticos e tecnologia de edição genética CRISPR para detectar sinais fracos de biomarcadores usando um método de luz chamado geração de segunda harmônica (SHG)”, disse o líder da equipe de pesquisa Han Zhang, da Universidade de Shenzhen, na China. “Se for bem sucedida, esta abordagem poderá ajudar a simplificar o tratamento da doença, melhorando potencialmente a sobrevivência e reduzindo os custos globais dos cuidados de saúde”.
existir ÓpticoNa revista de pesquisa de alto impacto do Optica Publishing Group, Zhang e sua equipe relatam que o dispositivo detectou biomarcadores de câncer de pulmão em níveis subatmolares em amostras de pacientes. Mesmo que apenas algumas moléculas estejam presentes, o sistema produz um sinal claro e mensurável. Como a plataforma é programável, pode ser adequada para identificar vírus, bactérias, toxinas ambientais ou biomarcadores associados a doenças como a doença de Alzheimer.
“Para o diagnóstico precoce, esta abordagem é promissora como um simples exame de sangue para câncer de pulmão antes que os tumores sejam descobertos na tomografia computadorizada”, disse Zhang. “Também poderia ajudar a promover opções de tratamento personalizadas, permitindo que os médicos monitorassem os níveis de biomarcadores dos pacientes diariamente ou semanalmente para avaliar a eficácia do medicamento, em vez de esperar meses pelos resultados dos exames de imagem”.
Tecnologia de detecção óptica sem ampliação
A maioria dos testes atuais de biomarcadores requerem amplificação química para aumentar pequenos sinais moleculares, o que acrescenta tempo, complexidade e custo. Os pesquisadores pretendiam criar uma estratégia de detecção direta que eliminasse essas etapas extras.
O sistema depende da geração de segundo harmônico (SHG), um fenômeno óptico não linear no qual a luz incidente é convertida em luz com metade do comprimento de onda. Neste projeto, o SHG ocorre na superfície de um semicondutor bidimensional chamado dissulfeto de molibdênio (MoS2).
Para posicionar com precisão os componentes sensores, a equipe construiu tetraedros de DNA, que são pequenas nanoestruturas em forma de pirâmide feitas inteiramente de DNA. Essas estruturas permitem que a distância entre os pontos quânticos e a superfície do MoS2 seja rigidamente controlada. Os pontos quânticos melhoram o campo de luz local e melhoram o sinal SHG.
A tecnologia de edição genética CRISPR-Cas é então usada para identificar biomarcadores específicos. Quando a proteína Cas12a detecta seu alvo, ela corta a fita de DNA que ancora o ponto quântico. Esta ação desencadeia uma queda mensurável no sinal SHG. Como o SHG gera muito pouco ruído de fundo, o sistema pode detectar concentrações extremamente baixas de biomarcadores com alta sensibilidade.
“Não estamos apenas tratando o DNA como uma substância biológica, mas usando-o como um bloco de construção programável que nos permite montar os componentes do sensor com precisão de nível nanométrico”, disse Zhang. “Ao combinar a detecção óptica não linear, que minimiza efetivamente o ruído de fundo, com um design livre de amplificação, nossa abordagem fornece um equilíbrio claro entre velocidade e precisão.”
Detecção bem sucedida de câncer de pulmão em soro humano
Para avaliar o desempenho no mundo real, os pesquisadores se concentraram no miR-21, um biomarcador microRNA associado ao câncer de pulmão. Depois de confirmar que o dispositivo poderia detectar o miR-21 em uma solução tampão controlada, eles o testaram usando soro humano de pacientes com câncer de pulmão para simular um exame de sangue real.
“O sensor funciona muito bem, o que mostra que a integração de óptica, nanomateriais e biologia pode ser uma estratégia eficaz para otimizar o dispositivo”, disse Zhang. “O sensor também é altamente específico – ele ignora outras cadeias de RNA semelhantes e detecta apenas o alvo do câncer de pulmão”.
O próximo objetivo é reduzir o sistema óptico. Os pesquisadores pretendem desenvolver uma versão portátil que possa ser usada à beira do leito, em ambulatórios ou em áreas remotas com recursos médicos limitados.
