Desarrollada por investigadores del Boston College, Giner Labs y la Universidad de Boston, la plataforma del sensor electrónico multiplexado de grafeno (GEMS) permite detectar simultáneamente cuatro moléculas diferentes derivadas de los opioides en muestras de aguas residuales. Crédito: ACS Nano (2022). DOI: 10.1021/acsnano.1c07094c

Las propiedades únicas de la lámina de carbono de un átomo de grosor, conocida como grafeno, han permitido crear un nuevo biosensor multiplexado del tamaño de un céntimo que es el primero en detectar subproductos opiáceos en las aguas residuales, según informa un equipo de investigadores del Boston College, la Universidad de Boston y los laboratorios Giner en la última edición en línea de la revista ACS Nano.

El novedoso dispositivo es el primero que utiliza transistores de efecto de campo basados en el grafeno para detectar cuatro opioides sintéticos y naturales diferentes a la vez, al tiempo que los protege de los elementos agresivos de las aguas residuales. Cuando un metabolito opioide específico se adhiere a una sonda molecular en el grafeno, cambia la carga eléctrica de éste. Estas señales se leen fácilmente de forma electrónica para cada sonda unida al dispositivo.

"Este nuevo sensor que hemos desarrollado es capaz de medir de forma rápida, barata y sencilla los opiáceos en las aguas residuales", afirma el profesor de física del Boston College Kenneth Burch, autor principal del informe. "Su sensibilidad y portabilidad permitirían realizar una epidemiología basada en las aguas residuales a escala local -tan específica como bloque por bloque o dormitorio por dormitorio-, garantizando al mismo tiempo la privacidad".

El dispositivo responde a un reto primordial de la epidemia de opioides: determinar la cantidad y el tipo de drogas que se consumen en una comunidad. La preocupación por la privacidad y los recursos limitados son obstáculos para realizar pruebas en grandes poblaciones. Un enfoque alternativo es la epidemiología basada en las aguas residuales, similar al análisis de las aguas residuales para medir los niveles 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 asociados a las pruebas individuales de drogas, y proporciona una medida más objetiva del consumo de drogas a nivel de barrio", dijo el vicepresidente de materiales avanzados de Giner Labs, Avni Argun, codirector del proyecto. "Mientras que las pruebas de aguas residuales se han realizado ampliamente en Europa, sólo existen unos pocos estudios en los Estados Unidos. El carácter rápido y portátil del dispositivo del equipo permitiría realizar pruebas a gran escala en la población a bajo coste 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 Institutos Nacionales de Salud (NIH), que colabora con los investigadores en el desarrollo de herramientas para ciudades inteligentes que ayuden a los programas de vigilancia de la salud pública que abordan el consumo y el abuso de drogas. La Fundación Nacional de la Ciencia, los Institutos Nacionales de la Salud y la Oficina de Investigación Naval aportaron financiación adicional para el proyecto.

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

Aunque el grafeno se ha utilizado antes para detectar muestras biológicas, el trabajo del equipo es la primera demostración de que el material puede utilizarse con aguas residuales, dijo Burch.

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

El avance fue posible gracias al diseño y la implementación de la plataforma del sensor electrónico multiplexado de grafeno (GEMS), dijo Burch. La plataforma permite detectar cuatro moléculas diferentes a la vez, protegiéndolas de los elementos agresivos de las aguas residuales, cuyas muestras fueron proporcionadas por el Mass. Alternative Septic System Test Center (MASSTC) de Cape Cod.

El equipo equipó las sondas de grafeno con "aptámeros", hebras de ADN diseñadas para adherirse únicamente a una molécula específica, en este caso, los metabolitos de varios opioides presentes en las aguas residuales. Cuando el aptámero se une a la droga, se pliega, aportando más carga al grafeno. La cantidad de carga en el grafeno se controla para detectar la presencia de un metabolito opiáceo específico, explicó Burch.

"Estos aptámeros se unieron a nuestros dispositivos de grafeno y, al atrapar la droga, la carga inducida en el grafeno se leyó electrónicamente", explicó Burch. "Nuestro proceso de fabricación y diseño dio como resultado un límite de detección un orden de magnitud mejor que los informes anteriores por otros métodos".

Las herramientas de muestreo anteriores se enfrentaban a las limitaciones porque requerían el envío de muestras y la realización de pruebas en un laboratorio. Estos requisitos imponen unos costes que limitan su adopción y uso en comunidades sin recursos suficientes. Al superar esos límites, el dispositivo de grafeno puede proporcionar una monitorización casi en tiempo real en múltiples ubicaciones, lo que también podría ayudar a distribuir recursos como personal de primera respuesta o estrategias de intervención específicas, dijo Burch.

"Es el primer sensor de este tipo que puede conseguirlo con una configuración tan sencilla y fácil de usar: una sola plataforma GEMS tiene el tamaño de un céntimo", añadió Burch.

El éxito de GEMS fue el resultado de una larga colaboración dirigida por Burch, que reunió los conocimientos sobre ADN del profesor asociado de biología del Boston College Tim van Opijnen, el cultivo de grafeno del químico de la Universidad de Boston Xi Ling y los conocimientos sobre desarrollo de ensayos de biosensores de Argun y los científicos de Giner Labs.

Otros investigadores que participaron en el proyecto fueron el estudiante de posgrado del Boston College Michael Geiwitz, el investigador científico Narendra Kumar, el estudiante Matthew Catalan y el investigador posdoctoral Juan C. Ortiz-Márquez; Muhit Rana, Niazul Islam Khan, Andrew Weber y Badawi Dweik, de Giner Labs; y Hikari Kitadai, estudiante de posgrado de la Universidad de Boston.

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 bajo la financiación de la investigación de innovación de la pequeña empresa (SBIR) del NIDA para desarrollar los dispositivos para su eventual uso comercial.

"También estamos trabajando para ver para qué más se puede utilizar la plataforma, como las pruebas rápidas en casa de infecciones virales y/o la presencia de patógenos en las aguas residuales", dijo Burch.


Más información: Narendra Kumar et al, Rapid, Multianalyte Detection of Opioid Metabolites in Wastewater, ACS Nano (2022). DOI: 10.1021/acsnano.1c07094
Crédito: Boston College