Sensor híbrido allana el camino para el laboratorio en un chip para análisis de sangre y detección de cáncer

Según la Organización Mundial de la Salud, la carga mundial de cáncer se estimó en 19,3 millones de casos nuevos y 10 millones de muertes en 2020. Los expertos de la OMS creen que aproximadamente el 30 % de los casos nuevos podrían prevenirse y aproximadamente la misma proporción podría curarse con la detección temprana. Ahora, un equipo de investigadores ha desarrollado un sensor nanofotónico-microfluídico que marca un paso importante hacia la creación de un dispositivo compacto de "laboratorio en un chip" capaz, no solo de realizar un conjunto completo de análisis de sangre, sino también de detectar biomarcadores de cáncer en una etapa temprana, utilizando una cantidad muy pequeña de la sangre del paciente.

El dispositivo, desarrollado por investigadores de la Universidad HSE (Moscú, Rusia) y Skoltech (Moscú, Rusia) actualmente puede identificar gases y líquidos disueltos en bajas concentraciones con un alto grado de precisión y podría encontrar aplicaciones potenciales en la detección, seguimiento y evaluación de la respuesta al tratamiento del cáncer. El laboratorio en un chip es un dispositivo sensor en miniatura capaz de realizar análisis bioquímicos complejos que se considera uno de los enfoques más prometedores para la detección temprana del cáncer. Los investigadores han desarrollado un nuevo sensor híbrido nanofotónico-microfluídico para el análisis altamente sensible de líquidos y gases a muy baja concentración en soluciones.

El dispositivo actual consta de sensores ópticos nanofotónicos en un chip en combinación con canales microfluídicos sobre la superficie del sensor. Los fluidos o gases bombeados a través de los canales afectan la propagación de la radiación óptica en los dispositivos nanofotónicos altamente sensibles, cambiando las características espectrales de la salida. Al examinar estos cambios, los investigadores pueden determinar la composición de la muestra. Una característica especial del dispositivo es el diminuto tamaño de los canales de microfluidos que llevan las muestras a los sensores. Esto hace posible obtener resultados incluso a partir de muestras muy pequeñas, algo que puede ser crítico cuando el análisis in situ no es factible y las muestras deben transportarse a otro lugar para su examen.

La sangre humana contiene ciertos componentes que pueden ser valiosos para diagnósticos preliminares de enfermedades oncológicas. Dichos componentes incluyen vesículas extracelulares (exosomas). Los exosomas son vesículas microscópicas liberadas en el espacio intercelular por células de tejidos y órganos. En una etapa temprana del cáncer, las concentraciones sanguíneas de exosomas tienden a aumentar hasta alcanzar valores analíticamente significativos, señalando la presencia de cáncer, esto convierte a los exosomas en un biomarcador potencialmente útil en oncología. El equipo de investigación planea perfeccionar aún más su dispositivo para que pueda usarse para este método de detección del cáncer.

Hasta ahora, el sensor no ha sido probado en muestras de sangre, sino en soluciones acuosas de alcohol isopropílico en 20 concentraciones diferentes, desde 0,08 % hasta 72 % en peso. Dado que el alcohol es altamente soluble en agua, fue posible utilizar concentraciones muy bajas. Por ejemplo, el sensor detectó isopropanol en una solución que contenía 12 moléculas de alcohol por un millón de moléculas de agua. Actualmente, el dispositivo solo puede analizar soluciones de dos componentes, pero los investigadores planean hacerlo adecuado para analitos de múltiples componentes, cubriendo receptores especiales (aptámeros, anticuerpos, DARPins y péptidos) en la superficie del sensor usando canales de microfluidos.

“Nuestro estudio es un paso importante hacia la creación de un dispositivo compacto de laboratorio en un chip capaz, no solo de realizar un conjunto completo de análisis de sangre, sino también de detectar biomarcadores de cáncer en una etapa temprana utilizando una cantidad muy pequeña de sangre del paciente”, dijo Gregory Goltsman, profesor de HSE MIEM. “Idealmente, nuestro objetivo es crear un pequeño dispositivo portátil que solo necesite una gota de sangre. Al presionar un botón, el médico vería los resultados, por ejemplo, que los parámetros son normales o que se requieren más pruebas”.

“Hoy en día, el equipo experimental necesario para el funcionamiento del dispositivo es bastante voluminoso. La configuración incluye una bomba peristáltica, un láser sintonizable, un fotodetector, un chip y una PC para procesar los datos”, agregó Aleksei Kuzin, graduado de HSE y actual estudiante de doctorado en Skoltech. “En el futuro, esperamos producir un dispositivo compacto y portátil para pruebas rápidas que reduzca el tiempo y el costo del diagnóstico del cáncer, el seguimiento y la evaluación de la respuesta al tratamiento”.

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