Gli ingegneri della McKelvey School of Engineering della Washington University di St. Louis dicono di aver sviluppato un cerotto con microaghi che può essere applicato alla pelle, catturare un biomarcatore di interesse e permettere ai medici di rilevarne la presenza. La tecnologia è a basso costo, facile da usare per un medico o per i pazienti stessi, e potrebbe eliminare la necessità di un viaggio in ospedale solo per un prelievo di sangue, secondo i ricercatori.

Il lavoro del team (“Patch microneedle per la quantificazione ultrasensibile dei biomarcatori proteici nel fluido interstiziale”), dal laboratorio di Srikanth Singamaneni, PhD, il professore Lilyan & E. Lisle Hughes nel dipartimento di ingegneria meccanica e scienze dei materiali, è stato pubblicato su Nature Biomedical Engineering.

“Il rilevamento e la quantificazione dei biomarcatori proteici nel fluido interstiziale è ostacolato da sfide nel suo campionamento e analisi. Qui riportiamo l’uso di una patch microneedle per il campionamento veloce in vivo e la quantificazione on-needle di biomarcatori proteici target nel fluido interstiziale. Abbiamo usato il fluoro plasmonico, un’etichetta fluorescente ultraluminosa, per migliorare il limite di rilevamento di vari biomarcatori proteici del fluido interstiziale di quasi 800 volte rispetto ai fluorofori convenzionali, e uno strato di supporto magnetico per implementare le procedure di immunodosaggio convenzionali sulla patch e quindi migliorare la coerenza della misurazione”, hanno scritto i ricercatori.

“Abbiamo usato il cerotto microneedle nei topi per la valutazione minimamente invasiva dell’efficienza di un vaccino contro la cocaina, per il monitoraggio longitudinale dei livelli di biomarcatori infiammatori, e per il campionamento efficiente del periostio calvariale – un sito impegnativo per il rilevamento dei biomarcatori – e la quantificazione dei suoi livelli di periostina, proteina matricellulare, che non può essere dedotta con precisione dal sangue o da altri biofluidi sistemici.

“I cerotti microneedle per la raccolta minimamente invasiva e l’analisi dei biomarcatori nel fluido interstiziale potrebbero facilitare la diagnostica point-of-care e il monitoraggio longitudinale”.

Oltre al basso costo e alla facilità d’uso, questi cerotti microneedle hanno un altro vantaggio rispetto ai prelievi di sangue, forse la caratteristica più importante per alcuni: “Sono completamente indolori”, ha detto Singamaneni.

Trovare un biomarcatore usando questi cerotti microneedle è simile all’analisi del sangue. Ma invece di usare una soluzione per trovare e quantificare il biomarcatore nel sangue, i microaghi lo catturano direttamente dal liquido che circonda le nostre cellule nella pelle, cioè il liquido interstiziale dermico (ISF). Una volta che i biomarcatori sono stati catturati, vengono rilevati allo stesso modo, utilizzando la fluorescenza per indicare la loro presenza e quantità.

L’ISF è una ricca fonte di biomolecole, densamente imballato con tutto, dai neurotrasmettitori ai rifiuti cellulari, continua Singamaneni. Tuttavia, per analizzare i biomarcatori in ISF, i metodi convenzionali richiedono generalmente l’estrazione di ISF dalla pelle. Questo metodo è difficile e di solito la quantità di ISF che può essere ottenuta non è sufficiente per l’analisi. Questo è stato un grande ostacolo per lo sviluppo della tecnologia di biosensing basata su microneedle.

Un altro metodo prevede la cattura diretta del biomarcatore in ISF senza dover estrarre ISF. Tuttavia, il biomarcatore deve manovrare attraverso un affollato “brodo” di ISF prima di raggiungere il microneedle nel tessuto cutaneo. In tali condizioni, essere in grado di catturare abbastanza del biomarcatore da vedere usando il saggio tradizionale non è facile.

Invece, gli scienziati hanno usato i plasmonic-fluors, una nanolabel a fluorescenza ultraluminosa. Rispetto alle etichette fluorescenti tradizionali, quando un saggio è stato fatto su patch microneedle utilizzando plasmonic-fluor, il segnale dei biomarcatori proteici target brillava circa 1.400 volte più luminoso e diventa rilevabile anche quando sono presenti a basse concentrazioni.

“In precedenza, le concentrazioni di un biomarcatore dovevano essere dell’ordine di pochi microgrammi per millilitro di fluido”, ha detto Zheyu (Ryan) Wang, uno studente laureato nel laboratorio Singamaneni e uno degli autori principali del documento. Questo è ben oltre la gamma fisiologica del mondo reale. Ma usando il plasmonic-fluor, il team di ricerca è stato in grado di rilevare biomarcatori dell’ordine di picogrammi per millilitro.

“Questo è un ordine di grandezza più sensibile”, ha notato Ryan, aggiungendo che queste patch hanno una serie di qualità che possono avere un impatto reale sulla medicina, la cura del paziente e la ricerca. Permetterebbero ai fornitori di monitorare i biomarcatori nel tempo, particolarmente importante quando si tratta di capire come l’immunità gioca in nuove malattie.

Per esempio, i ricercatori che lavorano sui vaccini COVID-19 hanno bisogno di sapere se le persone stanno producendo i giusti anticorpi e per quanto tempo. “Mettiamo un cerotto”, ha suggerito Singamaneni, “e vediamo se la persona ha anticorpi contro il COVID-19 e a quale livello”.

Oppure, in caso di emergenza, “quando qualcuno si lamenta di un dolore al petto e viene portato in ospedale in ambulanza, speriamo che in quel momento e lì, il cerotto possa essere applicato”, ha detto Jingyi Luan, uno studente che si è recentemente laureato al laboratorio Singamaneni e uno degli autori principali del documento. Invece di dover andare in ospedale e farsi prelevare il sangue, i soccorritori potrebbero usare un cerotto microneedle per testare la troponina, il biomarcatore che indica l’infarto del miocardio.

Per le persone con condizioni croniche che richiedono un monitoraggio regolare, i cerotti microneedle potrebbero eliminare viaggi inutili in ospedale, risparmiando denaro, tempo e disagio, ha detto Singamaneni, che ha spiegato che i cerotti sono quasi indolore e “vanno circa 400 micron in profondità nel tessuto dermico. Non toccano nemmeno i nervi sensoriali”.

In laboratorio, l’uso di questa tecnologia potrebbe limitare il numero di animali necessari per la ricerca. A volte la ricerca richiede molte misurazioni in successione per catturare il flusso e il riflusso dei biomarcatori, ad esempio per monitorare la progressione della sepsi. A volte, questo significa un sacco di piccoli animali.

“Potremmo abbassare significativamente il numero di animali necessari per tali studi”, secondo Singamaneni, il cui laboratorio vuole assicurarsi che tutte le implicazioni che circondano la tecnologia siano esplorate.

Il team dovrà determinare i cutoff clinici, cioè l’intervallo di biomarcatore in ISF che corrisponde a un livello normale o anormale. “Dovremo [anche] determinare quali livelli di biomarcatore sono normali, quali livelli sono patologici”, ha detto, aggiungendo che il suo gruppo di ricerca sta lavorando su metodi di consegna per lunghe distanze e condizioni difficili, fornendo opzioni per migliorare la sanità rurale.

“Ma non dobbiamo fare tutto questo da soli”, ha detto Singamaneni. Invece, la tecnologia sarà a disposizione di esperti in diverse aree della medicina. “Abbiamo creato una piattaforma tecnologica che chiunque può usare. E possono usarla per trovare il proprio biomarcatore di interesse”.