Cientistas desenvolveram um sensor de luz altamente eficaz que pode detectar quantidades mínimas de biomarcadores de câncer no sangue. Essa inovação pode, no futuro, permitir que médicos identifiquem sinais precoces de câncer e outras doenças através de uma simples coleta de sangue.
Biomarcadores como proteínas, fragmentos de DNA e outras moléculas podem indicar a presença do câncer, o seu progresso ou o risco de uma pessoa desenvolvê-lo. O desafio é que, nos estágios iniciais da doença, esses marcadores estão em concentrações extremamente baixas, o que dificulta a sua medição com ferramentas convencionais.
“Nosso sensor combina nanostruturas feitas 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)”, declarou Han Zhang, líder da equipe de pesquisa da Universidade de Shenzhen, na China. “Se bem-sucedida, essa abordagem poderia simplificar os tratamentos para doenças, potencialmente melhorar as taxas de sobrevivência e reduzir os custos de saúde.”
No periódico Optica, da Optica Publishing Group, Zhang e sua equipe relataram que o dispositivo conseguiu detectar biomarcadores de câncer de pulmão em amostras de pacientes em níveis sub-attomolares. Mesmo com a presença de apenas algumas moléculas, o sistema gerou um sinal claro e mensurável. Como a plataforma é programável, pode ser adaptada para identificar vírus, bactérias, toxinas ambientais ou biomarcadores associados a condições como a doença de Alzheimer.
“Para o diagnóstico precoce, esse método promete viabilizar exames simples de sangue para câncer de pulmão antes que um tumor se torne visível em uma tomografia computadorizada”, afirmou Zhang. “Ele também pode avançar opções de tratamento personalizadas, permitindo que os médicos monitorem os níveis de biomarcadores de um paciente diariamente ou semanalmente para avaliar a eficácia do medicamento, em vez de esperar meses pelos resultados de imagens.”
Tecnologia de Sensing Óptico Sem Amplificação
A maioria dos testes de biomarcadores atuais requer amplificação química para aumentar sinais moleculares pequenos, o que acrescenta tempo, complexidade e custos. Os pesquisadores se propuseram a criar uma estratégia de detecção direta que elimina essas etapas adicionais.
O sistema baseia-se na SHG, um fenômeno óptico não linear em que a luz que entra é convertida em luz com metade do comprimento de onda. Neste design, a SHG ocorre na superfície de um semicondutor bidimensional chamado dissulfeto de molibdênio (MoS₂).
Para posicionar com precisão os componentes do sensor, a equipe construiu tetraedros de DNA, que são pequenas estruturas em forma de pirâmide formadas inteiramente por DNA. Essas estruturas mantêm os pontos quânticos a distâncias cuidadosamente controladas da superfície de MoS₂. Os pontos quânticos intensificam o campo óptico local e melhoram o sinal da SHG.
A tecnologia de edição gênica CRISPR-Cas foi então incorporada para reconhecer biomarcadores específicos. Quando a proteína Cas12a detecta seu alvo, ela corta as cadeias de DNA que ancoram os pontos quânticos. Essa ação provoca uma queda mensurável no sinal da SHG. Como a SHG produz 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 uma substância biológica, o usamos como blocos de construção programáveis, permitindo-nos montar os componentes de nosso sensor com precisão em nível nanométrico,” disse Zhang. “Ao combinar a detecção óptica não linear, que efetivamente minimiza o ruído de fundo, com um design livre de amplificação, nosso método oferece um equilíbrio distinto entre velocidade e precisão.”
Testes de Câncer de Pulmão Bem-Sucedidos em Soro Humano
Para avaliar o desempenho no mundo real, os pesquisadores concentraram-se no miR-21, um biomarcador de microRNA associado ao câncer de pulmão. Após confirmar que o dispositivo poderia detectar miR-21 em uma solução tampão controlada, eles o testaram usando soro humano de pacientes com câncer de pulmão para simular um teste de sangue real.
“O sensor funcionou excepcionalmente bem, mostrando que integrar ótica, nanomateriais e biologia pode ser uma estratégia eficaz para otimizar um dispositivo,” afirmou Zhang. “O sensor também foi altamente específico – ignorando outras cadeias de RNA semelhantes e detectando apenas o alvo do câncer de pulmão.”
O próximo objetivo é miniaturizar o sistema óptico. Os pesquisadores pretendem desenvolver uma versão portátil que possa ser utilizada ao lado da cama, em clínicas ambulatoriais ou em áreas remotas com recursos médicos limitados.
