Os cientistas projetaram um poderoso sensor baseado em luz capaz de detectar quantidades extremamente pequenas de biomarcadores de câncer no sangue. A invenção poderia eventualmente permitir que os médicos detectassem sinais precoces de câncer e outras doenças por meio de coletas de sangue de rotina.
Biomarcadores como proteínas, fragmentos de ADN e outras moléculas podem sinalizar se o cancro está presente, como está a progredir ou se uma pessoa corre o risco de o desenvolver. A desvantagem é que nas fases iniciais da doença estes marcadores existem em concentrações muito baixas, o que os torna difíceis de medir com ferramentas convencionais.
“Nosso sensor combina nanoestruturas feitas de DNA com tecnologias de ponto quântico e edição de genes CRISPR usando uma abordagem baseada em luz que detecta sinais de biomarcadores ambíguos usando ‘geração de segundo harmônico (SHG)”, disse o líder da equipe de pesquisa Han Zhang, da Universidade de Shenzhen, China. “Se for bem-sucedida, esta abordagem poderá ajudar a facilitar o tratamento da doença, melhorar potencialmente as taxas de sobrevivência e reduzir os custos globais de saúde”.
Em ópticoNa revista 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 subatomolares. 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 detectar vírus, bactérias, toxinas ambientais ou biomarcadores associados a condições como a doença de Alzheimer.
“Para o diagnóstico precoce, este método promete permitir um simples exame de sangue para câncer de pulmão antes que os tumores sejam visíveis nas tomografias computadorizadas”, disse Zhang. “Também poderia ajudar a personalizar as opções de tratamento, 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 requerem amplificação química para amplificar pequenos sinais moleculares, o que acrescenta tempo, complexidade e custo. Os pesquisadores pretendiam desenvolver uma técnica de detecção direta que eliminasse essas etapas extras.
O sistema depende do SHG, um fenômeno óptico não linear onde a luz que entra é convertida em luz com 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 elementos sensores, a equipe criou tetraedros de DNA, 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 intensificam 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 desencadeia uma queda mensurável no sinal SHG. Como o SHG gera muito pouco ruído de fundo, o sistema pode detectar concentrações extremamente baixas de biomarcadores com alta sensibilidade.
“Em vez de ver o DNA apenas como um material biológico, nós o usamos como um bloco de construção programável, permitindo-nos montar componentes de sensores com precisão de nível nanométrico”, disse Zhang. “Ao combinar a detecção óptica não linear, que reduz efetivamente o ruído de fundo, com um design livre de amplificação, nossa abordagem oferece um equilíbrio único entre velocidade e precisão.”
Testes bem-sucedidos 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 simular 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 otimizar um dispositivo”, disse Zhang. “O sensor era altamente específico – ignorando outras cadeias de RNA semelhantes e detectando apenas alvos de 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.
