Tecno

Rilevare singole molecole e diagnosticare malattie con uno smartphone

iphone, hand, screen

Photo by JESHOOTS-com on Pixabay

I biomarcatori svolgono un ruolo centrale nella diagnosi della malattia e nella valutazione del suo decorso. Tra i marcatori attualmente in uso vi sono geni, proteine, ormoni, lipidi e altre classi di molecole. I biomarcatori possono essere trovati nel sangue, nel liquido cerebrospinale, nelle urine e in vari tipi di tessuti, ma la maggior parte di essi ha una cosa in comune: si verificano in concentrazioni estremamente basse e sono quindi tecnicamente difficili da rilevare e quantificare.

Molte procedure di rilevamento utilizzano sonde molecolari, come anticorpi o brevi sequenze di acidi nucleici, progettate per legarsi a biomarcatori specifici. Quando una sonda riconosce e si lega al suo bersaglio, le reazioni chimiche o fisiche danno origine a segnali di fluorescenza. Tali metodi funzionano bene, a condizione che siano abbastanza sensibili da riconoscere il biomarcatore rilevante in un’alta percentuale di tutti i pazienti che lo portano nel sangue. Inoltre, prima che tali test basati sulla fluorescenza possano essere utilizzati nella pratica, i biomarcatori stessi oi loro segnali devono essere amplificati. L’obiettivo finale è quello di consentire lo screening medico direttamente sui pazienti, senza dover inviare i campioni a un laboratorio distante per l’analisi.

Pubblicità e progresso

Le antenne molecolari amplificano i segnali di fluorescenza Philip Tinnefeld, che detiene una cattedra in chimica fisica presso la LMU, ha sviluppato una strategia per determinare i livelli di biomarcatori presenti a basse concentrazioni. È riuscito ad accoppiare le sonde del DNA a minuscole particelle d’oro o d’argento. Coppie di particelle (“dimeri”) agiscono come nano-antenne che amplificano i segnali di fluorescenza. Il trucco funziona come segue: le interazioni tra le nanoparticelle e le onde luminose in arrivo intensificano i campi elettromagnetici locali, e questo a sua volta porta ad un massiccio aumento dell’ampiezza della fluorescenza. In questo modo, i batteri che contengono geni di resistenza agli antibiotici e persino virus possono essere rilevati in modo specifico.

“Le nano-antenne basate sul DNA sono state studiate negli ultimi anni”, afferma Kateryna Trofymchuk, primo autore congiunto dello studio. “Ma la fabbricazione di queste nanostrutture presenta delle sfide”. Il gruppo di ricerca di Philip Tinnefeld è ora riuscito a configurare più precisamente i componenti delle loro nano-antenne e a posizionare le molecole di DNA che fungono da sonde di cattura nel sito di amplificazione del segnale. Insieme, queste modifiche consentono di amplificare più efficacemente il segnale di fluorescenza. Inoltre, nel minuscolo volume coinvolto, che è dell’ordine degli zeptolitri (uno zeptolitro equivale a 10-21 di litro), possono essere catturate ancora più molecole.

L’alto grado di controllo del posizionamento è reso possibile dalla nanotecnologia del DNA, che sfrutta le proprietà strutturali del DNA per guidare l’assemblaggio di tutti i tipi di oggetti su nanoscala – in numeri estremamente grandi. “In un campione, possiamo produrre contemporaneamente miliardi di queste nano-antenne, utilizzando una procedura che consiste essenzialmente nel pipettare insieme alcune soluzioni”, afferma Trofymchuk.

Diagnostica di routine sullo smartphone “In futuro”, afferma Viktorija Glembockyte, anche primo autore congiunto della pubblicazione, “la nostra tecnologia potrebbe essere utilizzata per test diagnostici anche in aree in cui l’accesso all’elettricità o alle apparecchiature di laboratorio è limitato. Abbiamo dimostrato che possiamo rilevare direttamente piccoli frammenti di DNA nel siero del sangue, utilizzando un microscopio portatile basato su smartphone che funziona su un alimentatore USB convenzionale per monitorare il dosaggio “. Gli smartphone più recenti sono generalmente dotati di fotocamere piuttosto buone. A parte questo, tutto ciò che serve è un laser e una lente, due componenti prontamente disponibili ed economici. I ricercatori LMU hanno utilizzato questa ricetta di base per costruire i loro prototipi.

Hanno continuato a dimostrare che i frammenti di DNA che sono specifici per i geni di resistenza agli antibiotici nei batteri potrebbero essere rilevati da questa configurazione. Ma il test potrebbe essere facilmente modificato per rilevare un’intera gamma di tipi di target interessanti, come i virus. Tinnefeld è ottimista: “L’anno scorso ha dimostrato che c’è sempre bisogno di metodi diagnostici nuovi e innovativi, e forse la nostra tecnologia può un giorno contribuire allo sviluppo di un test diagnostico economico e affidabile che può essere eseguito a casa”.

###

Nature Communications , 2021