Biosensores de nanoestrellas usan la dispersión Raman para la detección directa de microARN relacionados con el cáncer

Un ensayo no invasivo novedoso, basado en nanopartículas, detecta microARN relacionados con el cáncer sin el uso de etiquetas o amplificación de objetivos.

Los microARN (miARN) comprenden una clase de aproximadamente 20 fragmentos de ARN de nucleótidos que bloquean la expresión génica al unirse a las moléculas de ARN mensajero de una manera que les impide transmitir las instrucciones de síntesis de proteínas que recibieron del ADN. Con su capacidad para sintonizar la expresión de proteínas mediante interacciones específicas de secuencias, los miARN ayudan a regular el mantenimiento y la diferenciación celular. Además de que los miARN desempeñan un papel esencial en el desarrollo tumoral, la mala regulación de ciertos miARN se ha asociado con muchas enfermedades diferentes, como la demencia y las afecciones cardiovasculares. Sin embargo, debido a dificultades técnicas para detectar estas moléculas pequeñas, los miARN no se han adoptado en la práctica clínica habitual para el diagnóstico temprano. Por lo tanto, es importante desarrollar estrategias de detección alternativas que puedan ofrecer más ventajas que los métodos convencionales.

A este respecto, los investigadores de la Universidad de Duke (Durham, NC, EUA) desarrollaron la tecnología nanofotónica denominada “el nanobiosensor centinela molecular inverso (iMS), con detección de dispersión Raman de superficie realzada (SERS)”.

La técnica iMS-SERS se basa en plasmónicos, que se refiere a las propiedades electromagnéticas mejoradas de las nanoestructuras metálicas. El término plasmónicos se deriva de “plasmones”, que son los cuantos asociados con las ondas longitudinales que se propagan en la materia a través del movimiento colectivo de grandes cantidades de electrones. La luz incidente, generalmente de un láser, que irradia estas superficies excita los electrones de conducción en el metal e induce la excitación de los plasmones superficiales, lo que conduce a una enorme mejora electromagnética de la firma espectral, como la dispersión Raman de superficie realzada (SERS) y la fluorescencia mejorada en la superficie (SEF) para la detección ultrasensible de especies químicas y biológicas.

La nanosonda SERS utilizada en el estudio actual se basó en nanoestrellas plasmónicas activas como plataforma de detección. Una señal de interruptor de “APAGADO a ENCENDIDO” se basó en un proceso de desplazamiento de cadena no enzimático y el cambio conformacional de las sondas de oligonucleótidos de tallo-bucle al unirse al objetivo. Esta técnica se utilizó previamente para detectar una secuencia de ADN sintético, de interés. En este estudio, el diseño de la nanosonda se modificó para ser utilizado para la detección de secuencias cortas de miARN.

En el estudio actual, los investigadores encontraron que el método de nanoestrellas iMS-SERS detectó miR-21, el biomarcador de microARN vinculado al adenocarcinoma esofágico (EAC) y el esófago de Barrett (BE), la metaplasia premaligna asociada con el EAC. Este método permitió la detección directa del biomarcador de cáncer de esófago en el ARN extraído de 17 biopsias de tejido endoscópico. Por lo tanto, el potencial de este biosensor homogéneo sin etiquetas para el diagnóstico de cáncer sin la necesidad de amplificación diana se demostró al discriminar el cáncer de esófago y el esófago de Barrett del tejido normal con notable exactitud diagnóstica.

“Las nanoestrellas doradas tienen múltiples picos que pueden actuar como barras de iluminación para mejorar las ondas electromagnéticas, que es una característica única de la forma de la partícula”, dijo el autor principal, el Dr. Tuan Vo-Dinh, profesor de ingeniería biomédica en la Universidad de Duke. “Nuestros pequeños nanosensores, llamados “centinelas moleculares inversos”, aprovechan esta capacidad para crear señales claras de la presencia de múltiples microARN. Las señales Raman de las moléculas marcadoras muestran picos agudos con colores muy específicos, como huellas digitales espectrales, que los distinguen fácilmente entre sí cuando se detectan. Por lo tanto, en realidad, podemos diseñar diferentes sensores para diferentes microARN en nanoestrellas, cada uno con moléculas de etiqueta que exhiben sus propias huellas digitales espectrales específicas. Y debido a que la señal es tan fuerte, podemos detectar cada una de estas huellas digitales de forma independiente”.

“El enfoque de investigación general en mi laboratorio ha sido la detección temprana de enfermedades en las personas antes de que se den cuenta de que están enfermas”, dijo el Dr. Vo-Dinh. “Y para hacer eso, debes poder ir río arriba, a nivel genómico, para mirar biomarcadores como los microARN”.

El artículo de la nanoestrella dorada se publicó en la edición en línea del 4 de mayo de 2020 de la revista Analyst.

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Universidad de Duke