Num mundo que enfrenta uma multiplicidade de ameaças à saúde – desde vírus de rápida propagação a doenças crónicas e bactérias resistentes a medicamentos – a necessidade de testes de diagnóstico caseiros rápidos, fiáveis e fáceis de usar nunca foi tão grande. Think about um futuro onde estes testes possam ser feitos em qualquer lugar, por qualquer pessoa, utilizando um dispositivo tão pequeno e portátil como o seu smartwatch. Para fazer isso, são necessários microchips capazes de detectar concentrações minúsculas de vírus ou bactérias no ar.
Agora, novas pesquisas do corpo docente da NYU Tandon, incluindo o professor de Engenharia Elétrica e de Computação Davood Shahrjerdi; Herman F. Mark Professor em Engenharia Química e Biomolecular Elisa Riedo; e Giuseppe de Peppo, Professor Associado da Indústria em Engenharia Química e Biomolecular e que esteve anteriormente na Mirimus, mostra que é possível desenvolver e construir microchips que podem não apenas identificar múltiplas doenças a partir de uma única tosse ou amostra de ar, mas também podem ser produzidos em escala .
“Este estudo abre novos horizontes no campo do biossensor. Os microchips, a espinha dorsal dos smartphones, computadores e outros dispositivos inteligentes, transformaram a forma como as pessoas comunicam, se divertem e trabalham. Da mesma forma, hoje, a nossa tecnologia permitirá que os microchips revolucionem os cuidados de saúde , desde diagnósticos médicos até saúde ambiental”, diz Riedo,
“A tecnologia inovadora demonstrada neste artigo utiliza transistores de efeito de campo (FETs) – sensores eletrônicos em miniatura que detectam diretamente marcadores biológicos e os convertem em sinais digitais – oferecendo uma alternativa aos tradicionais testes de diagnóstico químico baseados em cores, como testes de gravidez caseiros, “, disse Shahrjerdi. “Esta abordagem avançada permite resultados mais rápidos, testes para múltiplas doenças simultaneamente e transmissão imediata de dados para prestadores de cuidados de saúde”, diz Sharjerdi, que também é diretor da NYU Nanofabrication Cleanroom, uma instalação de última geração onde alguns dos chips utilizados neste estudo foram fabricados. Riedo e Shahrjerdi também são codiretores da iniciativa NanoBioX da NYU.
Os transistores de efeito de campo, um elemento básico da eletrônica moderna, estão emergindo como ferramentas poderosas nesta busca por instrumentos de diagnóstico. Esses minúsculos dispositivos podem ser adaptados para funcionar como biossensores, detectando patógenos ou biomarcadores específicos em tempo actual, sem a necessidade de rótulos químicos ou procedimentos laboratoriais demorados. Ao converter interações biológicas em sinais elétricos mensuráveis, os biossensores baseados em FET oferecem uma plataforma rápida e versátil para diagnóstico.
Avanços recentes levaram as capacidades de detecção dos biossensores FET a níveis incrivelmente pequenos – até concentrações femtomolares, ou um quatrilionésimo de mol – incorporando materiais em nanoescala, como nanofios, óxido de índio e grafeno. No entanto, apesar do seu potencial, os sensores baseados em FET ainda enfrentam um desafio significativo: têm dificuldade em detectar múltiplos agentes patogénicos ou biomarcadores simultaneamente no mesmo chip. Os métodos atuais para personalizar esses sensores, como lançamento de biorreceptores como anticorpos na superfície do FET, carecem da precisão e escalabilidade necessárias para tarefas de diagnóstico mais complexas.
Para resolver isso, esses pesquisadores estão explorando novas maneiras de modificar superfícies FET, permitindo que cada transistor em um chip seja adaptado para detectar um biomarcador diferente. Isso permitiria a detecção paralela de vários patógenos.
Entra em cena a litografia por sonda de varredura térmica (tSPL), uma tecnologia inovadora que pode ser a chave para superar essas barreiras. Esta técnica permite a padronização química precisa de um chip revestido com polímero, permitindo a funcionalização de FETs individuais com diferentes biorreceptores, como anticorpos ou aptâmeros, em resoluções tão finas quanto 20 nanômetros. Isso está no mesmo nível do tamanho minúsculo dos transistores nos chips semicondutores avançados de hoje. Ao permitir a modificação altamente seletiva de cada transistor, este método abre a porta para o desenvolvimento de sensores baseados em FET que podem detectar uma ampla variedade de patógenos em um único chip, com sensibilidade incomparável.
Riedo, que foi elementary no desenvolvimento e proliferação da tecnologia tSPL, vê seu uso aqui como mais uma evidência da forma inovadora como esta técnica de nanofabricação pode ser usada em aplicações práticas. “O tSPL, agora uma tecnologia litográfica disponível comercialmente, tem sido elementary para funcionalizar cada FET com diferentes biorreceptores, a fim de conseguir a multiplexação”, diz ela.
Em testes, os sensores FET funcionalizados usando tSPL mostraram um desempenho notável, detectando apenas 3 concentrações attomolares (aM) de proteínas spike SARS-CoV-2 e apenas 10 partículas de vírus vivos por mililitro, ao mesmo tempo que distinguem eficazmente entre diferentes tipos de vírus , incluindo a gripe A. A capacidade de detectar com segurança essas quantidades mínimas de patógenos com alta especificidade é um passo crítico para a criação de dispositivos de diagnóstico portáteis que poderão um dia ser usados em vários ambientes, de hospitais a residências.
O estudo, agora publicado pela Royal Society of Chemistry em Nanoescala, foi apoiado pela Mirimus, uma empresa de biotecnologia sediada no Brooklyn, e pela LendLease, uma empresa multinacional de construção e imobiliário com sede na Austrália. Eles estão trabalhando com a equipe Tandon da NYU para desenvolver wearables e dispositivos domésticos para detecção de doenças, respectivamente.
“Esta pesquisa mostra o poder da colaboração entre a indústria e a academia e como ela pode mudar a face da medicina moderna”, afirma Prem Premsrirut, presidente e CEO da Mirimus. “Os pesquisadores da NYU Tandon estão produzindo trabalhos que desempenharão um papel importante no futuro da detecção de doenças.”
“Empresas como a Lendlease e outros promotores envolvidos na regeneração urbana estão à procura de soluções inovadoras como esta para detectar ameaças biológicas nos edifícios.” diz Alberto Sangiovanni Vincentelli, da UC Berkeley, colaborador do Projeto. “Medidas de biodefesa como esta serão uma nova camada infraestrutural para os edifícios do futuro”
À medida que a fabricação de semicondutores continua a avançar, integrando bilhões de FETs em nanoescala em microchips, o potencial para usar esses chips em aplicações de biossensor está se tornando cada vez mais viável. Um método common e escalonável para funcionalizar superfícies FET com precisão em nanoescala permitiria a criação de ferramentas de diagnóstico sofisticadas, capazes de detectar múltiplas doenças em tempo actual, com o tipo de velocidade e precisão que poderia transformar a medicina moderna.
