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Un test di laboratorio utilizzato per individuare la malattia ed effettuare la ricerca biologica potrebbe essere 3 milioni di volte più sensibile, secondo i ricercatori che hanno combinato gli strumenti biologici standard con una svolta nel campo delle nanotecnologie.

L'aumento delle prestazioni potrebbe migliorare notevolmente la diagnosi precoce del cancro, dell'Alzheimer e di altri disturbi, consentendo ai medici di rilevare le concentrazioni molto più basse di marcatori rivelatori rispetto a quanto era praticabile nel passato.

L'innovazione consiste in una comune prova biologica chiamata immunodosaggio, che imita l'azione del sistema immunitario per rilevare la presenza di marcatori, i prodotti chimici associati alle malattie. Quando i biomarcatori sono presenti nei campioni, come quelli presi dagli esseri umani, il test immunologico produce un bagliore fluorescente (luce) che può essere misurato in laboratorio. Quanto maggiore è la luce, maggiore biomarcatore è presente. Tuttavia, se la quantità di biomarcatore è troppo piccola, la luce fluorescente è troppo debole per essere rilevata, fissando il limite alla rilevazione. Un obiettivo importante nella ricerca sull'immunodosaggio è migliorare il limite della rilevazione.

Ricercatori della Princeton hanno migliorato notevolmente la sensibilità degli immunodosaggi, un test medico comune, utilizzando il nanomateriale mostrato qui sopra. Il materiale è costituito da una serie di pilastri di vetro in uno strato d'oro. Ogni colonna è punteggiata sui lati da punti d'oro e sormontata da un disco d'oro e ha un diametro di soli 60 nanometri, 1 millesimo della larghezza di un capello umano. (Credit: Stephen Chou/Analytical Chemistry)

I ricercatori della Princeton hanno affrontato questa limitazione utilizzando la nanotecnologia per amplificare notevolmente la fluorescenza debole di un campione. Modellando il vetro e le strutture in oro così piccole da essere viste solo con un potente microscopio elettronico, gli scienziati sono stati in grado di aumentare drasticamente il segnale di fluorescenza rispetto ai dosaggi immunologici convenzionali, migliorando di 3 milioni di volte il limite di rilevabilità. In altre parole, il dosaggio immunologico rafforzato richiederebbe al biomarcatore una presenza 3 milioni di volte inferiore rispetto ad un immunodosaggio convenzionale. (In termini tecnici, i ricercatori hanno misurato un miglioramento del limite di rilevazione da 0,9 nanomolari a 300 attomolari).

"Questo progresso apre molte opportunità nuove ed interessanti per gli immunodosaggi e gli altri rilevatori, così come nella diagnosi precoce e nel trattamento della malattia", ha detto Stephen Chou, Professore Joseph C. Elgin di Ingegneria, che ha guidato il team di ricerca. "Inoltre, il nuovo dosaggio è molto facile da usare, dal momento che per la persona che esegue la prova non vi sarà alcuna differenza rispetto a prima, la procedura va eseguita esattamente nello stesso modo".

I ricercatori hanno pubblicato i risultati in due recenti articoli di giornale. Uno, pubblicato il 10 maggio su Nanotechnology, descrive la fisica e l'ingegneria del materiale di miglioramentola della fluorescenza. L'altro, pubblicato il 20 aprile in Analytical Chemistry, dimostra l'effetto nei dosaggi immunologici. Oltre a Chou, gli autori sono i ricercatori post-dottorali Weihua Zhang, Zhou Liangcheng e Jonathan Hu e i laureati Fei Ding, Ding Wei, Li Wen-Di e Yuxuan Wang. Il lavoro è stato finanziato dalla Defense Advanced Research Project Agency e dalla National Science Foundation.

La chiave della svolta si trova in un nuovo nanomateriale artificiale chiamato D2PA, che è stato sviluppato nel laboratorio di Chou per diversi anni. Il D2PA è un sottile strato di nanostrutture di oro circondato da pilastri di vetro di soli 60 nanometri di diametro. (Un nanometro è un miliardesimo di metro; significa che circa 1.000 pilastri uno accanto all'altro sarebbero come un capello umano). I pilastri sono distanziati di 200 nanometri l'uno dall'altro e coperti da un disco d'oro per ogni pilastro. I lati di ciascun pilastro sono punteggiati di puntini d'oro ancora più piccoli, circa 10/15 nanometri di diametro. Nel precedente lavoro, Chou ha dimostrato che questa struttura unica aumenta la raccolta e la trasmissione della luce in modo insolito: in particolare, un incremento di 1 miliardo di volte nell'effetto chiamato dispersione Raman delle superfici. Il lavoro attuale dimostra ora un gigantesco aumento del segnale con la fluorescenza.

In un dosaggio immunologico tipico, viene prelevato un campione come sangue, saliva o urina da un paziente e aggiunto a piccole fiale di vetro contenenti anticorpi che sono progettati per "catturare" o legarsi al biomarcatore di interesse nel campione. Un'altra serie di anticorpi, etichettati con una molecola fluorescente, vengono poi aggiunti alla miscela. Se i biomarcatori non sono presenti nelle ampolle, gli anticorpi fluorescenti di rilevazione non attaccano nulla e vengono lavati via. La nuova tecnologia sviluppata alla Princeton permette alla fluorescenza di essere vista quando pochissimi anticorpi trovano il loro marcatore.

Oltre agli usi diagnostici, gli immunodosaggi sono comunemente usati per la scoperta di farmaci e altre ricerche biologiche. Più in generale, la fluorescenza gioca un ruolo significativo in altre aree della chimica e dell'ingegneria, dai display a emissione di luce alla raccolta di energia solare, e il materiale D2PA potrebbe trovare impieghi in questi campi, ha affermato Chou.

Parlando dei passi successivi della sua ricerca, Chou ha detto che sta conducendo test per confrontare la sensibilità dell'immunodosaggio migliorato via D2PA, con un immunodosaggio convenzionale nella rilevazione del cancro della mammella e della prostata. Inoltre sta collaborando con i ricercatori del Memorial Sloan-Kettering Cancer Center di New York per sviluppare un test che rileva le proteine associate all'Alzheimer in una fase molto precoce. "Si può avere un rilevamento molto precoce con il nostro approccio", ha detto.

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Fonte: Materiale della Princeton University, Engineering School. Articolo originale scritto da Steven Schultz.

Riferimento: Liangcheng Zhou, Fei Ding, Hao Chen, Wei Ding, Weihua Zhang, Stephen Y. Chou. Enhancement of Immunoassay's Fluorescence and Detection Sensitivity Using Three-Dimensional Plasmonic Nano-Antenna-Dots Array. Analytical Chemistry, 2012; 84 (10): 4489 DOI: 10.1021/ac3003215.

Pubblicato in ScienceDaily il 31 Maggio 2012 - Traduzione di Franco Pellizzari.

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