El estudio publicado online en Nature Nanotechnology es la primera muestra de que los sensores a nanoescala pueden utilizarse para detectar y la vez obtener imágenes de varios tipos de moléculas en células con un nivel de sensibilidad que excede ampliamente el de los tintes fluorescentes, las herramientas estándar para la obtención de imágenes de moléculas.
Michael Strano, un autor del artículo y profesor adscrito de ingeniería química en MIT, dice que el estudio representa un gran avance en su meta para desarrollar un sensor a nanoescala y así detectar moléculas dentro de células vivas. Recientemente, las estructuras diminutas demostraron ser prometedoras para la detección óptica y la obtención de imágenes porque brillan cuando se exponen a una luz casi infrarroja. Esta propiedad es útil para la obtención de imágenes biológicas porque la luz casi infrarroja puede penetrar más profundamente en los tejidos que la luz visible. Como las células no brillan cuando se las expone a luz casi infrarroja, es más fácil detectar un emisor de luz casi infrarroja.
Los sensores creados en el laboratorio de Strano son nanotubos de carbono de una sola capa envueltos con un trozo pequeño de ADN. Cuando la molécula buscada se une al ADN provoca un cambio en la luz que emite el nanotubo; es aquí donde el cambio en la señal de luz puede detectarse mediante un microscopio. Los investigadores utilizaron sensores para detectar moléculas que dañan el ADN, incluso medicación para quimioterapia, radicales libres y peróxido de hidrógeno.
Strano opina que los sensores ofrecen varias ventajas importantes sobre los tintes fluorescentes. No sólo pueden detectar y localizar las moléculas, sino que los distintos tipos de moléculas afectarán las propiedades de la luz emitida de un modo diferente. Strano agrega que “cuando se le une una molécula, puede modificar la longitud de onda o la intensidad de la luz que emite. Cada toxina tiene una firma única. Así que no solamente la estás detectando, sino que puedes decir algo respecto de la toxina o de qué tipo de medicamento es”. En este estudio, los investigadores utilizaron dos tipos de nanotubos de carbono para distinguir entre cuatro clases de toxinas en células vivas, pero Strano cree que los sensores se podrían configurar para detectar muchas moléculas dentro de la misma muestra o célula a la vez.
nAdemás, los sensores de nano tubos pueden detectar moléculas muy pequeñas que serían difíciles de identificar con otras tecnologías y en concentraciones muy bajas. En este estudio, los investigadores pudieron identificar una molécula única de peróxido de hidrógeno, una molécula pequeña y volátil. Strano expresa que “en términos de sensibilidad, hemos llegado al límite”. Y la señal óptica de los nanotubos no se desvanece con el tiempo. A esa propiedad se la llama fotoblanqueado, que limita la eficacia de las tinturas fluorescentes.
James Heath, un químico que no estaba involucrado en el estudio dice que, aunque existen dudas respecto a cómo se comparan estos sensores con otros métodos, representan un logro impresionante.
La aplicación más inmediata de esta tecnología es la de herramienta de investigación, permitiendo que los científicos hallen y estudien el comportamiento de señales que eran difíciles de estudiar antes, debido al tamaño o a la baja concentración. Los sensores pueden usarse para estudiar los efectos de los antioxidantes en las células, o también se pueden extender a los tejidos; por ejemplo, para estudiar las reacciones químicas en las células cancerígenas dentro de un tumor.
Sin embargo, Ravi Kane, un ingeniero de biología y química en el Instituto Politécnico Rensselaer dice que esta clase de sensores “podrían tener muchas aplicaciones para realizar diagnósticos”. Strano dice que la tecnología podría usarse, eventualmente, en humanos para darle a los médicos un modo de rastrear la eficacia de los tratamientos de quimioterapia y modificar las dosis para pacientes individuales. Aunque este estudio se centra en los elementos químicos que interactúan con el ADN, los sensores pueden adaptarse para otros fines, dependiendo de lo que se fije al nano tubo. El laboratorio de Strano ha estado usando sensores similares para estudiar la glucosa y los neurotransmisores cerebrales en células y tejidos.