Nou dispozitiv de screening arată promițător pentru depistarea precoce a cancerului pulmonar

Cancerul pulmonar constituie principala cauză de mortalitate prin cancer la nivel mondial, cu aproximativ 2,5 milioane de cazuri noi și 1,8 milioane de decese pe an, conform statisticilor recente. Diagnosticul târziu și posibilitățile limitate de tratament în stadii avansate impun necesitatea unor metode rapide și sensibile de detecție timpurie. Biomarkerii prezenți în sânge (ser) oferă avantaje majore pentru screening, fiind semnificativ modificați înainte de apariția simptomelor clinice.
Dintr-o gamă largă de markeri tumorali, antigenul carcinoembrionar (CEA) și enolaza specifică neuronilor (NSE) sunt printre cei mai promițători pentru diagnosticul precoce al cancerului pulmonar.

• CEA (o glicoproteină de 180 kDa) are concentrații <3 ng/mL la indivizii sănătoși și poate depăși 100 ng/mL la pacienții cu cancer pulmonar în stadii avansate.
• NSE (izoenzima γγ cu o masă de 78 kDa) este un marker specific pentru cancerul pulmonar microcelular (SCLC), având o concentrație normală de 5-12 ng/mL, dar putând atinge valori >100 ng/mL în stadii avansate.

Metodele clasice de măsurare (ELISA, teste de laborator specializate) sunt costisitoare și necesită personal instruit. În contrast, biosenzorii electrochimici, în special cei impedimetrici (EIS), oferă rapiditate, cost redus și potențial pentru utilizare la punctul de îngrijire (POCT), fiind capabili să detecteze selectiv biomarkerii tumorali pe baza interacțiunii cu elemente de recunoaștere (anticorpi, secvențe de acid nucleic etc.).

În cadrul proiectului de cercetare de trei ani, Mahdi Arabnejad, fost doctorand la Universitatea Cranfield, Sam Tothill, profesor de Bio-Nano Senzori și Dr. Iva Chianella, Lector principal în Bio-senzori și polimeri funcționali și-au propus dezvoltarea a doi biosenzori cu impedanță electrochimică (EIS) pentru detecția și cuantificarea rapidă a biomarkerilor CEA și NSE din ser. Acești senzori vizează diagnosticul timpuriu al cancerului pulmonar și monitorizarea eficientă a tratamentului.

Strategia de design

1. Electrozi serigrafiați de aur (SPGE): platforma de transducție la care se măsoară rezistența la transfer electronic (Ret) pe baza reacției redox a unui cuplu fericianură/ferroceanură de potasiu.
2. Mărgele magnetice (MB) funcționalizate cu anticorpi specifici:

• MB + anticorp (Ab) recunosc biomarkerul (CEA sau NSE) dintr-o probă (ser).
• Complexele MB-Ab-antigen sunt apoi dirijate magnetic spre electrodul serigrafiat care conține un al doilea anticorp imobilizat (sandwich immunoassay).
• În final, un magnet rotește mărgelele nelegate, îndepărtând semnificativ interferențele și îmbunătățind specificitatea.

3. Tehnică impedimetrică EIS: modificările Ret (rezistență la transfer de electroni) cauzate de legarea imună a complexului MB-Ab-antigen pe electrod produc semnalul măsurat.

Materiale și metode

Funcționalizarea MB

• Carboxilarea mărgelelor și activarea cu EDC/NHS.
• Legarea anticorpului monoclonal (anti-CEA sau anti-NSE) la concentrația optimă (2,4 mg/mL).
• Spălări repetate pentru înlăturarea reziduurilor.

Imobilizarea anticorpilor pe electrod

• Autoasamblare cu cisteamină pentru a crea un strat de start (SAM) pe suprafața aurului.
• Activare cu PDITC, urmată de cuplarea anticorpului (anti-CEA sau anti-NSE) și blocare cu BSA pentru a reduce reacțiile nespecifice.

Măsurători EIS

• În prezența sondei redox (K₃[Fe(CN)₆]/K₄[Fe(CN)₆]), se aplică o tensiune mică (0,01 V), iar semnalul de impedanță reflectă interacțiunile antigen-anticorp pe suprafața electrodului.
• Parametrul cheie: ΔRet relativ la martor (fără antigen).

Platforma magnetică

• Magnet rotativ care controlează dispunerea mărgelelor pe (sau în afara) zonei de lucru a electrodului, reducând timpul de reacție și îmbunătățind specificitatea prin separarea MB neligate.

Rezultate

Optimizarea biosenzorilor

• Concentrația anticorpului pe MB: 2,4 mg/mL a oferit semnalul cel mai ridicat înainte de apariția interferenței sterice la valori mai mari.
• Concentrația anticorpului pe electrod: 10 µg/mL pentru NSE și 20 µg/mL pentru CEA au furnizat răspuns optim.
• Spălarea complexului MB-antigen: 3 spălări succesive cu 50 µL buffer și utilizarea magnetic rack au rezultat în cel mai bun compromis între semnal și precizie.

Detecția CEA

• Interval de lucru liniar: 1-100 ng/mL
• Limită de detecție (LOD): ~0,26 ng/mL (tampon PBS) și ~0,76 ng/mL (ser integral).
• Timp total de analiză: ~40 minute.

Detecția NSE

• Interval de lucru liniar: 1-100 ng/mL
• LOD: ~0,18 ng/mL (tampon PBS) și ~0,52 ng/mL (ser integral).
• Timp total de analiză: ~40 minute.

Specificitate și reactivitate încrucișată

• Testele cu marker necorespunzător (CEA pe senzor NSE și invers) au generat semnale reduse, clar sub cele obținute pentru analitul specific la concentrații de 5-10× mai mici.
• Imunocaptorul combinat cu platforma magnetică a minimizat reacțiile nespecifice, permițând discriminarea facilă între analitul țintă și interferențe la concentrații foarte diferite.

Concluzii și perspective

Studiul demonstrează dezvoltarea și validarea a doi biosenzori impedimetrici cu ajutorul mărgelelor magnetice și al unei platforme rotative, capabili de cuantificarea biomarkerilor CEA și NSE din ser integral. Caracteristicile cheie includ:

• Sensibilitate adecvată (LOD sub 1 ng/mL), sub pragurile clinice de interes (5-7 ng/mL pentru CEA, 12 ng/mL pentru NSE).
• Timp de detecție scurt (~40 min), cu potențial de integrare în dispozitive POCT și minimă necesitate de echipamente complexe.
• Specifitate ridicată față de alți markeri, confirmată prin teste de reactivitate încrucișată.

Aceste rezultate evidențiază fezabilitatea unui test simplificat pentru diagnosticarea timpurie a cancerului pulmonar, putând fi extins ulterior la validări clinice pe probe de la pacienți. În perspectivă, integrarea acestor biosenzori în sisteme portabile, ușor de utilizat în clinici sau laboratoare de proximitate, ar putea îmbunătăți considerabil rata de supraviețuire prin detecție precoce și monitorizare terapeutică mai precisă.