Ricerche

I passaggi successivi includono il test della saliva e dei campioni di urina con il biosensore.

Il bioingegnere Armando Ramil con il biosensore (Foto: David Baillot/UC San Diego)

Un team internazionale di ricercatori ha sviluppato un dispositivo portatile e non invasivo in grado di rilevare biomarcatori del morbo di Alzheimer (MA) e di Parkinson (MP). Il biosensore può anche trasmettere i risultati in modalità senza fili a un laptop o smartphone.

Il team ha testato il dispositivo su campioni in vitro di pazienti e ha dimostrato che è accurato quanto i metodi migliori disponibili. Infine, i ricercatori hanno in programma di testare campioni di saliva e urina con il biosensore, che potrebbe essere modificato per rilevare i biomarcatori anche di altre condizioni.

Il dispositivo, presentato il 13 novembre 2023 su Proceedings of the National Academy of Science, si basa sul rilevamento elettrico piuttosto che chimico, che secondo i ricercatori è più facile da implementare e più accurato.

"Questo sistema diagnostico portatile consentirebbe di testare a casa e nel punto di cura, come cliniche e case di riposo, le malattie neurodegenerative a livello globale", ha affermato Ratnesh Lal, professore di bioingegneria, ingegneria meccanica e scienze dei materiali della Università della California di San Diego e autore senior dello studio.

Per il 2060 ci saranno circa 14 milioni di americani con MA, e anche altre malattie neurodegenerative, come l'MP, sono in aumento. Gli attuali metodi di riferimento per rilevare MA e MP richiedono l'esame del prelievo spinale e scansioni, inclusa una risonanza magnetica. Di conseguenza, la diagnosi precoce della malattia è difficile, perché i pazienti esitano a subire procedure invasive. I test sono anche difficili per i pazienti che hanno già sintomi visibile e hanno difficoltà a muoversi, nonché per coloro che non hanno accesso tempestivo agli ospedali o alle strutture mediche locali.

Una delle ipotesi prevalenti sul campo, su cui Lal si è concentrato, è che il MA è causato da peptidi amiloidi solubili che si uniscono in molecole più grandi, formando a loro volta canali ionici nel cervello. Lal voleva sviluppare un test che fosse in grado di rilevare non invasivamente peptidi amiloide-beta e tau (biomarcatori del MA) e alfa-sinucleina (biomarcatore dell'MP), in particolare dalla saliva e dalle urine.

Voleva affidarsi al rilevamento elettrico piuttosto che chimico, poiché ritiene che sia più facile da implementare e più accurato. Voleva anche costruire un dispositivo in grado di trasmettere in modalità senza fili i risultati dei test alla famiglia e ai medici del paziente. Il dispositivo è il risultato dei suoi tre decenni di competenze, nonché della sua collaborazione con ricercatori a livello globale, compresi i coautori di questo lavoro del Texas e della Cina: "Sto cercando di migliorare la qualità della vita e salvare vite umane", ha detto.

Per realizzare la sua visione, Lal e i suoi colleghi hanno adattato un dispositivo che avevano sviluppato durante la pandemia di Covid per rilevare le proteine di picco e le nucleoproteine nel virus SARS-Cov-2 vivo, descritto su PNAS nel 2022. Quella scoperta era stata resa possibile dalla miniaturizzazione dei chip e dall'automazione su larga scala della produzione di biosensori.

Come viene realizzato il dispositivo e come funziona

Il dispositivo descritto nello studio attuale, è costituito da un chip con un transistor ad alta sensibilità, comunemente noto come transistor a effetto di campo (field effect transistor, FET). In questo caso, ogni transistor è realizzato con uno strato di grafene spesso un singolo atomo e tre elettrodi: sorgente e drenaggio, collegati ai poli positivi e negativi di una batteria, per far fluire la corrente elettrica, e un elettrodo cancello per controllare la quantità di corrente.

Collegato all'elettrodo cancello c'è un singolo filamento di DNA, che funge da sonda che lega specificamente le proteine amiloide-beta, tau o alfa-sinucleina. Il legame di questi amiloidi con la loro specifica sonda del filamento di DNA, chiamata aptamero, cambia la quantità di corrente tra gli elettrodi sorgente e drenaggio. Il cambiamento in questa corrente o tensione è il segnale usato per rilevare i biomarcatori specifici, come le proteine amiloidi o Covid 19.

Il team di ricerca ha testato il dispositivo con proteine amiloidi derivate dal cervello dai pazienti deceduti di MA e MP. Gli esperimenti hanno mostrato che i biosensori hanno rilevato i biomarcatori specifici di entrambe le condizioni con grande precisione, alla pari dei metodi di riferimento esistenti. Il dispositivo funziona anche a concentrazioni estremamente basse, il che significa che ha bisogno di piccole quantità di campioni, pochi microlitri.

Inoltre, i test hanno mostrato che il dispositivo ha funzionato bene anche quando i campioni analizzati contenevano altre proteine. Le proteine tau erano più difficili da rilevare. Ma poiché il dispositivo esamina tre diversi biomarcatori, può combinare i risultati di tutti e tre per arrivare a un risultato complessivo affidabile.

La tecnologia è stata data dalla UC San Diego in licenza a una azienda biotecnologica, Ampera Life, di cui Lal è il presidente, sebbene non riceva supporto finanziario per le sue ricerche.

I passaggi successivi includono il test del plasma ematico e del liquido cerebro-spinale con il dispositivo, quindi infine campioni di saliva e urina. I test si svolgono in ambienti ospedalieri e case di cura. Se questi test vanno bene, Ampera Life prevede di richiedere l'approvazione della FDA per il dispositivo, si spera nei prossimi cinque o sei mesi. L'obiettivo finale è avere il dispositivo sul mercato in un anno.