Sensores basados en FET abren camino a dispositivos de diagnóstico portátiles para detectar múltiples enfermedades

En un mundo que se enfrenta a una amplia gama de desafíos sanitarios, desde virus que se propagan rápidamente hasta enfermedades crónicas y bacterias resistentes a los medicamentos, la demanda de pruebas de diagnóstico caseras rápidas, fiables y fáciles de usar es más crítica que nunca. Imaginemos un futuro en el que estas pruebas puedan realizarse en cualquier lugar, por cualquier persona, utilizando un dispositivo tan portátil como un reloj inteligente. Para que esto sea una realidad, deben desarrollarse microchips que puedan detectar concentraciones extremadamente bajas de virus o bacterias en el aire. Una nueva investigación muestra que es posible diseñar microchips capaces de identificar múltiples enfermedades a partir de una única muestra de tos o de aire y fabricarlos a gran escala.

Un equipo de investigadores de la Escuela de Ingeniería Tandon de la Universidad de Nueva York (Brooklyn, Nueva York, EUA) ha presentado una tecnología revolucionaria que utiliza transistores de efecto de campo (FET), que son pequeños sensores electrónicos que detectan marcadores biológicos y los convierten en señales digitales. Esta tecnología presenta una alternativa a las pruebas químicas tradicionales basadas en el color, como las pruebas de embarazo caseras. La innovación permite obtener resultados más rápidos, realizar pruebas simultáneas para múltiples enfermedades y compartir datos al instante con los proveedores de atención médica. Los FET, ampliamente utilizados en la electrónica moderna, se están volviendo esenciales para el desarrollo de herramientas de diagnóstico. Estos dispositivos en miniatura se pueden adaptar como biosensores para detectar patógenos o biomarcadores específicos en tiempo real, eliminando la necesidad de etiquetas químicas o largos procedimientos de laboratorio. Al convertir las interacciones biológicas en señales eléctricas mensurables, los biosensores basados en FET proporcionan una plataforma de diagnóstico rápida y versátil.

Imagen: Inmovilización selectiva del sitio de diferentes bioreceptores en transistores de efectos de campo individuales, logrados mediante el uso de litografía de la sonda de escaneo térmico (Foto cortesía de NYU Tandon)

Los avances recientes han mejorado drásticamente la sensibilidad de los biosensores FET, lo que les permite detectar concentraciones tan pequeñas como niveles femtomolares, o una cuatrillónésima parte de un mol, mediante la incorporación de materiales como nanocables, óxido de indio y grafeno. Sin embargo, a pesar de su potencial, los sensores FET aún se enfrentan a un obstáculo importante: el desafío de detectar múltiples patógenos o biomarcadores simultáneamente en un solo chip. Los métodos existentes, como la aplicación de biorreceptores como anticuerpos a la superficie del FET, carecen de la precisión y la escalabilidad necesarias para tareas de diagnóstico complejas. Para superar esto, los investigadores están explorando nuevas técnicas para modificar las superficies de los FET, lo que permitiría que cada transistor en un chip detecte un biomarcador diferente, lo que permitiría la detección paralela de múltiples patógenos.

Una solución prometedora es la litografía por sonda de barrido térmico (tSPL), una tecnología de vanguardia que permite la creación de patrones químicos precisos en un chip recubierto de polímero. Este proceso permite la funcionalización de FET individuales con diferentes biorreceptores, como anticuerpos o aptámeros, a resoluciones de hasta 20 nanómetros, lo que coincide con el tamaño de los transistores modernos. Al permitir modificaciones altamente selectivas de cada transistor, este método podría crear sensores basados en FET capaces de detectar una amplia gama de patógenos en un solo chip con una sensibilidad excepcional. En las pruebas, los sensores FET funcionalizados mediante tSPL demostraron un rendimiento notable, detectando tan solo 3 concentraciones atmolares (aM) de proteínas de pico de SARS-CoV-2 e identificando tan solo 10 partículas de virus vivos por mililitro, todo ello al tiempo que distinguieron entre varios tipos de virus, incluida la gripe A.

La capacidad de detectar con precisión cantidades tan minúsculas de patógenos con una alta especificidad es un paso crucial hacia el desarrollo de dispositivos de diagnóstico portátiles para diversos entornos, desde hospitales hasta hogares. A medida que la tecnología de semiconductores continúa avanzando, se hace cada vez más factible integrar miles de millones de FET a escala nanométrica en microchips. Un enfoque universal y escalable para funcionalizar las superficies de FET con precisión a escala nanométrica permitiría la creación de herramientas de diagnóstico avanzadas capaces de detectar múltiples enfermedades en tiempo real con una velocidad y precisión inigualables, lo que podría revolucionar la atención médica moderna. Tras el estudio publicado en la revista Nanoscale, el equipo de investigación se centra ahora en el desarrollo de dispositivos de diagnóstico portátiles y domésticos que puedan detectar enfermedades.

“Este estudio abre nuevos horizontes en el campo de la biodetección”, afirmó Elisa Riedo, profesora de Tandon en la Universidad de Nueva York. “Los microchips, la columna vertebral de los teléfonos inteligentes, las computadoras y otros dispositivos inteligentes, han transformado la forma en que las personas se comunican, se entretienen y trabajan. De manera similar, hoy en día, nuestra tecnología permitirá que los microchips revolucionen la atención médica, desde el diagnóstico médico hasta la salud ambiental”.