Chestnut Hill, Massachusetts. (25/02/2022) – Las propiedades únicas de la capa atómicamente gruesa de carbono conocida como grafeno han permitido un nuevo biosensor multiplexado del tamaño de un centavo que es el primero en detectar subproductos opioides en aguas residuales. informa un equipo de investigadores de Boston College, Boston University y Giner Labs en la última edición en línea de la revista ACS nano.

Chestnut Hill, Massachusetts. (25/02/2022) – Las propiedades únicas de la capa atómicamente gruesa de carbono conocida como grafeno han permitido un nuevo biosensor multiplexado del tamaño de un centavo que es el primero en detectar subproductos opioides en aguas residuales. informa un equipo de investigadores de Boston College, Boston University y Giner Labs en la última edición en línea de la revista ACS nano.

El novedoso dispositivo es el primero en usar transistores de efecto de campo basados ​​en grafeno para detectar simultáneamente cuatro opioides sintéticos y naturales diferentes mientras los protege de los elementos agresivos de las aguas residuales. Cuando un metabolito opioide en particular se une a una sonda molecular en el grafeno, cambia la carga eléctrica en el grafeno. Estas señales se pueden leer fácilmente electrónicamente para cada sonda conectada al dispositivo.

«Este nuevo sensor que hemos desarrollado tiene la capacidad de medir de forma rápida, económica y sencilla los opioides en las aguas residuales», dijo Kenneth Burch, profesor de física en el Boston College, uno de los autores principales del informe. «Su sensibilidad y transmisibilidad permitirían la epidemiología basada en aguas residuales a nivel local, tan específica como cuadra por cuadra o dormitorio por dormitorio, mientras se mantiene la privacidad».

El dispositivo responde a un desafío principal de la epidemia de opioides: determinar la cantidad y los tipos de drogas que se usan en una comunidad. Las preocupaciones por la privacidad y los recursos limitados son barreras para evaluar a grandes poblaciones. Un enfoque alternativo es la epidemiología basada en aguas residuales, similar a las pruebas de aguas residuales, para medir el nivel de infección por coronavirus en la comunidad durante la pandemia.

«Las pruebas de aguas residuales son una estrategia emergente que puede superar las limitaciones y el estigma asociado con las pruebas de drogas individuales, y proporciona una medida más objetiva del uso de drogas a nivel de vecindario», dijo Avni Argun, vicepresidente de materiales avanzados en Giner Labs, co- líder del proyecto. “Si bien las pruebas de aguas residuales están muy extendidas en Europa, hay pocos estudios en los EE. UU. La naturaleza rápida y portátil del dispositivo del equipo permitiría realizar pruebas a una gran población a bajo costo y con alta resolución geográfica”.

El trabajo del equipo de Argun en Giner Labs en Newton, Massachusetts, está financiado por el Instituto Nacional sobre el Abuso de Drogas de los NIH, que está trabajando con investigadores para desarrollar herramientas de ciudades inteligentes que mejoren los programas de vigilancia de la salud pública relacionados con el uso de drogas y apoyen el abuso. La financiación adicional para el proyecto provino de la Fundación Nacional de Ciencias, los Institutos Nacionales de Salud y la Oficina de Investigación Naval.

El prototipo del equipo podría proporcionar una herramienta más económica y rápida para los funcionarios de salud pública que intentan determinar el alcance del uso de opioides y el impacto de las intervenciones de tratamiento en toda la comunidad.

Si bien el grafeno se ha utilizado antes para capturar muestras biológicas, el trabajo del equipo es la primera demostración de que el material podría usarse con aguas residuales, dijo Burch.

Además, es la primera demostración del uso de transistores de efecto de campo basados ​​en grafeno, un dispositivo electrónico para leer la cantidad de carga para detectar múltiples objetivos simultáneamente, según el informe.

El avance fue posible gracias al diseño y la implementación de la plataforma Graphene Electronic Multiplexed Sensor (GEMS), dijo Burch. La plataforma permite la detección simultánea de cuatro moléculas objetivo diferentes mientras las protege de elementos agresivos en las aguas residuales de las que se extraen muestras de Mass. Se han implementado Centros de Pruebas de Sistemas Sépticos Alternativos (MASSTC) en Cape Cod.

El equipo equipó las sondas de grafeno con «aptámeros», hebras de ADN que solo se unen a una molécula específica, en este caso, metabolitos de varios opioides en aguas residuales. Cuando el aptámero se une al fármaco, se pliega y aporta más carga al grafeno. La cantidad de carga en el gráfico se monitorea para detectar la presencia de un metabolito opioide específico, dijo Burch.

«Estos aptámeros se adjuntaron a nuestros dispositivos de grafeno y, a medida que se capturaba la droga, la carga inducida en el grafeno se leía electrónicamente», dijo Burch. «Nuestro proceso de fabricación y diseño dieron como resultado un límite inferior de detección que fue un orden de magnitud mejor que los informes anteriores que utilizaron otros métodos».

Las herramientas de muestreo anteriores enfrentaban limitaciones, ya que requerían enviar muestras y realizar pruebas en un entorno de laboratorio. Estos requisitos imponen costos que limitan la adopción y el uso generalizados en comunidades de escasos recursos. Al superar esas limitaciones, el dispositivo Graphene puede permitir el monitoreo casi en tiempo real en múltiples ubicaciones, lo que también podría ayudar a distribuir recursos como socorristas o estrategias de intervención específicas, dijo Burch.

«Este es el primer sensor de este tipo que puede lograr esto con una configuración tan simple y fácil de usar: una sola plataforma GEMS es del tamaño de una moneda de diez centavos», agregó Burch.

El éxito de GEMS fue el resultado de una colaboración a largo plazo dirigida por Burch, que reunió la experiencia en ADN de Tim van Opijnen, profesor asociado de biología en Boston College, el cultivo de grafeno del químico Xi Ling de la Universidad de Boston y la experiencia de Argun y los científicos se han unido en el desarrollo de ensayos de biosensores en Giner Labs.

Otros investigadores del proyecto incluyeron al estudiante graduado de Boston College Michael Geiwitz, el científico investigador Narendra Kumar, el estudiante graduado Matthew Catalan y el becario postdoctoral Juan C. Ortiz-Márquez; Muhit Rana de Giner Labs, Niazul Islam Khan, Andrew Weber y Badawi Dweik; y el estudiante de doctorado de BU Hikari Kitadai.

Burch dijo que el equipo se sorprendió de lo bien que el dispositivo resistió el duro entorno de las aguas residuales. Dijo que su laboratorio está trabajando con Giner Labs con fondos de NIDA Small Business Innovation Research (SBIR) para desarrollar los dispositivos para un uso comercial eventual.

«También estamos trabajando para ver para qué más se puede usar la plataforma, como pruebas rápidas en el hogar para detectar infecciones virales y/o la presencia de patógenos en las aguas residuales», dijo Burch.


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