Um sensor que não requer padronização em nanoescala detecta moléculas únicas de uma proteína do câncer de mama em concentrações 250 vezes mais baixas do que dispositivos anteriores desse tipo.
(Nanoenergia em destaque) Uma única gota de sangue contém trilhões e trilhões de moléculas. Entre eles, os primeiros sinais de câncer, biomarcadores proteicos liberados por tumores nascentes, podem chegar a um dígito. A detecção de uma molécula entre 10²⁴ outras outline a fronteira do biossensor, um limiar medido em concentrações atomolares. A maioria das tecnologias de diagnóstico não consegue abordar isso. Esta sensibilidade poderá transformar o tratamento do cancro: os cancros da mama detectados antes da metástase apresentam taxas de sobrevivência aos cinco anos de 99%, em comparação com cerca de 30% para a doença metastática, de acordo com dados do programa SEER do Instituto Nacional do Cancro.
Sensores plasmônicos exploram interações entre nanoestruturas leves e metálicas. Eles ampliaram os limites de detecção para a faixa femtomolar, cerca de mil vezes menos sensível do que o exigido pelo diagnóstico precoce do câncer. Sua fabricação também normalmente requer padrões litográficos caros de características em nanoescala.
Os físicos exploraram uma alternativa enraizada em sistemas não-Hermitianos, uma classe de sistemas físicos que trocam energia com o seu ambiente em vez de a conservarem internamente. Esses sistemas podem exibir pontos excepcionais, condições onde dois autovalores colapsam em um único valor degenerado. Autovalores são descritores matemáticos que governam como um sistema responde a estímulos; quando eles se fundem, o sistema torna-se extremamente sensível. Pequenas perturbações perto de um ponto excepcional desencadeiam respostas desproporcionalmente grandes que aumentam com a raiz quadrada da perturbação, em vez de linearmente.
Um estudo de 2020 publicado em Física da Natureza (“Pontos excepcionais plasmônicos induzidos por quebra de simetria e detecção em nanoescala”) exploraram esse efeito usando estruturas plasmônicas de camada dupla e detectaram a proteína anti-IgG às 50 horas da manhã, entrando no território attomolar. No entanto, esta sensibilidade ainda é insuficiente para os cancros cujos primeiros biomarcadores oscilam perto ou abaixo de um atomole por litro.
Uma equipe da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pequim e da Universidade de Tsinghua estendeu agora essa abordagem ao território de uma única molécula. Seu estudo, publicado em Materiais Funcionais Avançados (“Engenharia topológica de pontos excepcionais para detecção de molécula única sem rótulo”), demonstra o que chamam de engenharia topológica de pontos excepcionais. Em vez de simplesmente operar perto de um ponto excepcional, este método remodela o cenário matemático que rege a resposta do sensor, aumentando-o para amplificar a sensibilidade de 50 a 250 vezes além dos biossensores de pontos excepcionais anteriores.
A fabricação do dispositivo não requer padronização em nanoescala. Os pesquisadores depositaram filmes finos alternados de ouro e poliimida, um polímero comum, em um substrato de sílica usando pulverização catódica de magnetron e revestimento giratório. Eles construíram estruturas com três, cinco, sete e nove camadas, ajustando cada uma para alcançar a ausência de reflexão direta em cerca de 1426 nm no espectro do infravermelho próximo. Toda a fabricação e medições ocorreram em uma sala limpa Classe 1000 mantida a 25,0°C.
A luz não polarizada que atinge uma dessas pilhas multicamadas quase não produz reflexo na superfície frontal, mas um reflexo substancial retorna na parte traseira. Esta assimetria pronunciada da frente para trás cria um ponto excepcional na matriz de dispersão do sistema, a estrutura matemática que governa como a luz entra e sai da estrutura.
As biomoléculas que pousam no sensor perturbam o ambiente óptico native e quebram esta delicada degenerescência. O sinal resultante cresce como a raiz quadrada da perturbação, uma amplificação não linear que torna visíveis pequenas perturbações. Aumentar o número de camadas aumenta a assimetria de reflexão e aumenta a curva de resposta. Entre as configurações testadas, o projeto de sete camadas produziu a topologia mais íngreme e a maior sensibilidade.
Para validar estas previsões, os investigadores funcionalizaram o sensor de sete camadas com biotina e expuseram-no à estreptavidina, uma proteína que se liga à biotina com elevada especificidade. Traçar o deslocamento espectral em relação à concentração de estreptavidina nos eixos logarítmicos produziu uma inclinação de aproximadamente 0,5, confirmando o comportamento esperado da raiz quadrada. A detecção atingiu 0,9 da manhã, correspondendo a cerca de cinco moléculas por milímetro quadrado. Com uma área iluminada de aproximadamente 0,03 mm², o sensor registrou moléculas individuais.
A equipe então teve como alvo o ErbB2, também conhecido como HER2, uma proteína cujos níveis elevados se correlacionam com cânceres de mama agressivos. Tumores em estágio inicial produzem esse biomarcador em concentrações atomolares que escapam aos testes convencionais. Para efeito de comparação, os sensores de metamateriais hiperbólicos atingem limites de detecção em torno de 10⁴ aM, e as cavidades nanofotônicas atingem aproximadamente <10⁶ aM. Após funcionalizar o sensor de ponto excepcional com anticorpos ErbB2, os pesquisadores alcançaram um limite de detecção de 0,2 aM, equivalente a uma molécula por milímetro quadrado.
Esta melhoria de 250 vezes em relação ao recorde anterior de pontos excepcionais coloca o sensor entre os biossensores sem rótulo mais sensíveis já demonstrados.
Três vantagens práticas distinguem esta abordagem. A construção de filme fino evita a litografia, reduzindo a complexidade e o custo de fabricação. Operar no infravermelho próximo permite o uso de equipamento espectroscópico padrão. A engenharia topológica também fornece uma estrutura de projeto sistemática: ajustar a contagem e a espessura das camadas ajusta a inclinação da resposta para corresponder aos alvos de detecção específicos.
Os desafios permanecem antes da implantação clínica. O sangue e outros fluidos biológicos contêm misturas de proteínas que podem obstruir a superfície do sensor ou introduzir ruído, e a integração microfluídica seria necessária para fornecer amostras de forma reproduzível. Os autores reconhecem esses obstáculos, mas enfatizam que a física subjacente é robusta e a fabricação escalável.
Manipular a topologia de pontos excepcionais, em vez de meramente explorar a sua existência, desbloqueia um novo regime de sensibilidade. A detecção de biomarcadores de câncer em moléculas únicas em amostras clínicas permaneceu fora do alcance de biossensores sem rótulo. Esta pesquisa demonstra que isso agora é alcançável.
Por
Miguel
Berger
– Michael é autor de quatro livros da Royal Society of Chemistry:
Nanossociedade: Ultrapassando os Limites da Tecnologia (2009),
Nanotecnologia: o futuro é minúsculo (2016),
Nanoengenharia: as habilidades e ferramentas que tornam a tecnologia invisível (2019), e
Não desperdice! Como as nanotecnologias podem aumentar a eficiência em toda a sociedade (2025) Direitos autorais ©
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Yang Bai
(Universidade de Ciência e Tecnologia de Pequim)
, 0000-0002-6917-256X
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