En un mundo que enfrenta muchas amenazas para la salud, desde virus de rápida propagación hasta enfermedades crónicas y bacterias resistentes a los medicamentos, es urgente la necesidad de pruebas de diagnóstico caseras rápidas, confiables y fáciles de usar. Imagine un futuro en el que cualquier persona pueda realizar esta prueba, en cualquier lugar, utilizando un dispositivo tan pequeño y portátil como su reloj inteligente. Para ello, se necesitan microchips que sean capaces de detectar pequeñas cantidades de virus o bacterias en el aire.
Ahora, una nueva investigación realizada por el profesorado de NYU Tandon, incluido el profesor de ingeniería eléctrica e informática Dawood Shahrjardi; Profesor Herman F. Mark de Ingeniería Química y Biomolecular, Alyssa Redo; y Giuseppe de Peppo, profesor asociado de industria en ingeniería química y biomolecular y anteriormente en Marimus, muestran que es posible diseñar y fabricar microchips que identifiquen múltiples enfermedades no solo a partir de una sola muestra de tos o aire, sino que también pueden ser masivas. producido. .
“Este estudio abre nuevos horizontes en el campo de la biodetección. Los microchips, que son la columna vertebral de los teléfonos inteligentes, ordenadores y otros dispositivos inteligentes, han cambiado la forma en que las personas se comunican, juegan y trabajan. “Hoy, nuestra tecnología permitirá que los microchips revolucionen la atención sanitaria, desde el diagnóstico médico hasta la salud medioambiental”, afirma Radu.
“La innovadora tecnología demostrada en este artículo utiliza transistores de efecto de campo (FET), pequeños sensores electrónicos que detectan directamente marcadores biológicos y los convierten en señales digitales, para reemplazar las pruebas de diagnóstico químico tradicionales basadas en colorantes, como las que ofrecen una alternativa a las pruebas caseras. pruebas de embarazo”, dijo Shahjardi. “Este enfoque innovador permite resultados rápidos, pruebas simultáneas de múltiples enfermedades y una rápida transferencia de datos a los proveedores de atención médica”, dice Sharjardi, quien también es director de NYU Nanofabrication Cleanroom, un innovador Lo último en conveniencia donde hay algunos chips. En este estudio se utilizó la fabricación. Riedo y Shahrjerdi también son codirectores de la iniciativa NanoBioX de la Universidad de Nueva York.
Los transistores de efecto de campo, una parte importante de la electrónica moderna, están surgiendo como herramientas poderosas en esta búsqueda de dispositivos de diagnóstico. Estos dispositivos miniaturizados se pueden adaptar para funcionar como biosensores, detectando patógenos o biomarcadores específicos en tiempo real, sin necesidad de etiquetas químicas ni largos procedimientos de laboratorio. Al convertir interacciones biológicas en señales eléctricas mensurables, los biosensores basados en FET ofrecen una plataforma rápida y versátil para el diagnóstico.
Los avances recientes han llevado las capacidades de detección de los biosensores FET a niveles increíblemente pequeños (hasta concentraciones femtomolares, o un cuarto de mol) mediante la incorporación de materiales a nanoescala como nanocables, óxido de indio y grafeno. Sin embargo, a pesar de su potencial, los sensores basados en FET todavía enfrentan un desafío importante: tienen dificultades para detectar múltiples patógenos o biomarcadores simultáneamente en un solo chip. Los métodos actuales para personalizar estos sensores, como los biorreceptores de lanzamiento con anticuerpos en la superficie FET, carecen de la precisión y escalabilidad necesarias para tareas de diagnóstico más complejas.
Para abordar esto, estos investigadores están explorando nuevas formas de modificar las superficies FET, permitiendo que cada transistor en un chip se adapte para detectar diferentes biomarcadores. Esto permitirá la detección paralela de múltiples patógenos.
Ingrese a la litografía con sonda de escaneo térmico (tSPL), una tecnología avanzada que es la clave para superar estos obstáculos. Esta técnica permite un modelado químico preciso del chip recubierto de polímero, lo que permite la activación de FET individuales con diferentes biorreceptores, como anticuerpos o aptámeros, con resoluciones de hasta 20 nanómetros. Esto equivale al pequeño tamaño de los transistores de los chips semiconductores modernos de hoy. Al permitir una modificación altamente selectiva de cada transistor, este método abre la puerta al desarrollo de sensores basados en FET que pueden detectar una variedad de patógenos en un solo chip, con una sensibilidad sin precedentes.
Riedo, que jugó un papel decisivo en el desarrollo y la difusión de la tecnología tSPL, considera que su uso aquí es una prueba más de que esta técnica de nanofabricación se puede utilizar en aplicaciones prácticas. “TSPL, una tecnología litográfica ahora disponible comercialmente, ha sido la clave para permitir que cada FET con diferentes biorreceptores logre la multiplexación”, dice.
En las pruebas, el sensor FET activo que utiliza tSPL ha mostrado un rendimiento notable, detectando menos de 3 concentraciones atmolares (aM) de proteína de pico del SARS-CoV-2 y 10 partículas de virus vivos por mililitro, al tiempo que distingue eficazmente entre diferentes tipos de virus. incluida la gripe A. La capacidad de detectar de manera confiable cantidades tan pequeñas de patógenos con alta especificidad es un paso importante hacia la creación de dispositivos de diagnóstico portátiles que algún día podrán usarse en entornos que van desde hospitales hasta hogares.
El estudio ha sido publicado ahora por la Royal Society of Chemistry. Nanoescala, La colaboración fue dirigida por Maryams, una empresa de biotecnología con sede en Brooklyn, y LendLease, una empresa multinacional de construcción y bienes raíces con sede en Australia. Están trabajando con el equipo de NYU Tandon para desarrollar dispositivos portátiles y domésticos que detecten la enfermedad, respectivamente.
“Esta investigación demuestra el poder de la colaboración entre la industria y el mundo académico, y cómo puede cambiar el rostro de la medicina moderna”, afirma Prem Premsrit, presidente y director ejecutivo de Merims. “Los investigadores de NYU Tandon están desarrollando un trabajo que desempeñará un papel importante en la detección de enfermedades en el futuro”.
“Empresas como Lendlease y otros promotores implicados en la regeneración urbana buscan soluciones innovadoras como ésta para detectar los peligros biológicos en los edificios”. dice Alberto Sangiovanni Vincentelli de UC Berkeley, colaborador del proyecto. “Estas medidas de biodefensa constituirán una nueva capa de infraestructura para futuros edificios”.
A medida que avanza la fabricación de semiconductores, integrando miles de millones de FET a nanoescala en microchips, la posibilidad de utilizar estos chips en aplicaciones de biodetección se vuelve cada vez más factible. Un enfoque universal y escalable para funcionalizar superficies FET con precisión a nanoescala permitirá la creación de herramientas de diagnóstico sofisticadas, capaces de detectar múltiples enfermedades en tiempo real, con el tipo de velocidad y precisión que podrían revolucionar la medicina moderna.
