Os cientistas construíram um poderoso sensor baseado em luz capaz de detectar quantidades extremamente pequenas de biomarcadores de câncer no sangue. A inovação poderá eventualmente permitir aos médicos detectar sinais precoces de cancro e outras doenças através de um exame de sangue de rotina.
Biomarcadores como proteínas, fragmentos de DNA e outras moléculas podem sinalizar se o câncer está presente, como está progredindo ou se uma pessoa corre o risco de desenvolvê-lo. A dificuldade é que, nas fases iniciais da doença, estes marcadores existem em concentrações muito baixas, tornando-os difíceis de medir com ferramentas convencionais.
“Nosso sensor combina nanoestruturas de DNA com pontos quânticos e tecnologia de edição genética CRISPR para detectar sinais fracos de biomarcadores usando uma abordagem baseada em luz conhecida como geração de segundo harmônico (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 a gestão da doença, potencialmente melhorar as taxas de sobrevivência e reduzir os custos globais de saúde”.
Você ÓPTICORevista do Optica Publishing Group para pesquisas de alto impacto, Zhang e sua equipe relataram que o dispositivo detectou biomarcadores de câncer de pulmão em amostras de pacientes em níveis subatômicos. Mesmo quando apenas algumas moléculas estavam presentes, o sistema produziu um sinal claro e mensurável. Como a plataforma é programável, ela poderia ser potencialmente adaptada para identificar vírus, bactérias, toxinas ambientais ou biomarcadores associados a doenças como o Alzheimer.
“Para o diagnóstico precoce, este método é promissor para exames de sangue simples para câncer de pulmão antes que o tumor possa ser visto na tomografia computadorizada”, disse Zhang. “Também poderia ajudar a promover opções de tratamento personalizadas, permitindo que os médicos monitorassem os níveis de biomarcadores de um paciente 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 amplificação
A maioria dos testes atuais de biomarcadores exige amplificação química para amplificar pequenos sinais moleculares, o que aumenta o tempo, a complexidade e o custo. Os pesquisadores procuraram criar uma estratégia de detecção direta que eliminasse essas etapas extras.
O sistema é baseado em SHG, um fenômeno óptico não linear no qual a luz que entra é convertida em luz de meio 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 contêm pontos quânticos a distâncias cuidadosamente controladas da superfície do MoS₂. Os pontos quânticos amplificam o campo óptico local e amplificam o sinal SHG.
A tecnologia de edição genética CRISPR-Cas foi então incorporada para reconhecer biomarcadores específicos. Quando a proteína Cas12a detecta o seu alvo, ela corta as cadeias de DNA que ancoram os pontos quânticos. Esta ação causa uma queda mensurável no sinal SHG. Como o SHG produz muito pouco ruído de fundo, o sistema pode detectar concentrações extremamente baixas de biomarcadores com alta sensibilidade.
“Em vez de tratar 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 nanométrica”, disse Zhang. “Ao combinar a detecção óptica não linear, que minimiza efetivamente o ruído de fundo, com um design sem ganho, nosso método oferece um equilíbrio claro entre velocidade e precisão.”
Um estudo bem sucedido 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 imitar um exame de sangue real.
“O sensor teve um desempenho excepcionalmente bom, mostrando que a integração de óptica, nanomateriais e biologia pode ser uma estratégia eficaz para otimização de dispositivos”, disse Zhang. “O sensor também foi muito específico – ignorou outras cadeias de RNA semelhantes e detectou 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.
