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Abstract: Un biosensore è un dispositivo di misura che utilizza molecole biologicamente attive come superfici sensibili di un biotrasduttore che trasforma l’informazione chimica data dalla concentrazione di un componente specifico del campione in un segnale utile analiticamente.
Affinché un biosensore risulti interessante per impieghi commerciali, esso deve soddisfare alcuni criteri fondamentali.
L’analita deve essere chiaramente identificato, deve essere facilmente disponibile un opportuno sistema biologico di riconoscimento e, se possibile, il sistema di rilevazione deve essere portatile e a risposta rapida per evitare tecniche di laboratorio lunghe e laboriose.
Altri requisiti importanti sono che sia facile da produrre in un elevato numero di esemplari, facile da usare, poco costoso e che, possibilmente, sia capace di effettuare test multipli in contemporanea.
Esistono in commercio biosensori a singolo analita con diverse applicazioni: misura della glicemia (glucometri); determinazione della concentrazione di ormoni, vitamine, etc. nei fluidi corporei (es. test di gravidanza); rivelazione di patogeni.
Il successo che hanno avuto tali biosensori a singolo analita ha permesso successivamente lo sviluppo di dispositivi cosiddetti ‘microarray’che contengono un numero elevato di sensori diversi, in grado quindi di rilevare contemporaneamente la presenza di molteplici analiti.
I siti di rilevazione sono miniaturizzati e integrati in gran numero su di un unico supporto.
In questo modo vengono ridotti drasticamente tempi di misura, quantità di campione e costi.
Questi tipi di biosensori che usano i ‘microarray’ trovano largo impiego in una vasta gamma di settori tra cui quello medico-scientifico (es. per rilevare in breve tempo livelli di glucosio o altro nei fluidi biologici del paziente) oppure quello della sicurezza ambientale e alimentare dove è necessario effettuare analisi microbiologiche per individuare la presenza/assenza di agenti patogeni.
E’ facile immaginare che un altro campo di applicazione di questi biosensori è quello della sicurezza di tipo ‘home-land’ ovvero connessa con la necessità di difendersi da potenziali armi biologiche solitamente utilizzate in caso di attacchi terroristici.
Infatti, in questo ambito, è di fondamentale importanza la necessità di disporre di mezzi rapidi, efficienti e a basso costo, per identificare agenti distruttivi e quindi delimitare con rapidità le zone di potenziale pericolo.
La presente proposta pioneristica prevede lo sviluppo di un biosensore portatile da usarsi come Nano-Bio-Guardia, nell’ambito della sicurezza ambientale e agroalimentare, per l’analisi diretta e in-situ di analiti con concentrazione tale da non essere rilevabili tramite metodi tradizionali.
Tale apparato sfrutterà i principi operativi dei tradizionali sistemi di microarray con l’aspetto innovativo della possibilità di concentrare analiti altrimenti non rilevabili.
Questo sarà possibile grazie al rilascio diretto dell’analita in forma concentrata tramite un processo di ‘Prelievo Piro-Elettro-idroDinamico’ (P-PED) sviluppato di recente presso i laboratori INO-CNR di Napoli.
Tale processo innovativo si basa sull’utilizzo di forze piroelettriche per generare un effetto di tipo elettro-idrodinamico in grado di prelevare porzioni di liquido di volume molto ridotto (fino agli atto-litri) da un determinato serbatoio (es. goccia sessile).
Tale processo si è rilevato efficiente per effettuare ‘printing’ di micro/nano-gocce e, rispetto ai metodi elettro-idrodinamici tradizionali, esso fornisce il vantaggio fondamentale di non dover disporre di elettrodi e di generatori di tensione esterni nè tantomeno di nano-ugelli.
Il processo di concentrazione sarà ottenuto fondamentalmente tramite prelievo di volumi di campione molto ridotti e successivo rilascio su una zona del supporto ricevente quanto più circoscritta possibile.
Si prevede che il processo di P-PED favorisca l’effetto di concentrazione dell’analita grazie alla sua capacità di prelevare e rilasciare frazioni molto piccole di volume (fino agli atto-litri).
In particolare, l’aspetto che dovrà essere investigato con maggiore attenzione sarà la capacità del processo di rilasciare tali frazioni su un’area quanto più circoscritta possibile per migliorare l’efficienza di rilevazione nelle tecniche tradizionali di lettura in fluorescenza o chemimulinescenza.
In sintesi, il sistema di Nano-Bio-Guardia sarà progettato per operare secondo le seguenti fasi principali:
1) prelievo di volumi sub-nanolitrici del campione sotto esame tramite P-PED;
2) rilascio di tali sotto-campioni su supporto biologicamente funzionalizzato;
3) concentrazione diretta dell’analita in fase di rilascio;
4) eccitazione del fluoroforo marcatore tramite sorgente opportuna;
5) rilevazione del segnale di fluorescenza emesso.
Si prevede quindi che il sistema sarà costituito fondamentalmente da un’interfaccia per il prelievo non invasivo di volumi controllati del campione da esaminare e da un’interfaccia per la rilevazione del segnale d’interesse.
Il principio di rilevazione dell’analita tramite segnale di fluorescenza sarà di tipo tradizionale, ovvero corrisponderà fondamentalmente agli standard dei protocolli di rilevazione attualmente utilizzati nei laboratori di analisi con marcatori fluorescenti (marcando analita oppure sonda).
Inoltre l’obiettivo è di sviluppare un bio-sensore compatto e monolitico.
E’ importante sottolineare che l’aspetto innovativo del sistema risiede nella fase di prelievo-deposito-concentrazione dell’analita che risulterà di fondamentale importanza specialmente nei casi in cui l’analita è presente in forma molto diluita e quindi impossibile da rilevare senza ricorrere ai processi lunghi e laboriosi di laboratorio solitamente usati per aumentare la concentrazione.
Sulla base di quanto detto finora è facile immaginare i risvolti rivoluzionari che, in caso di successo, tale progetto fornirebbe nel campo della biosensoristica per applicazioni alla sicurezza ambientale e agroalimentare.
Infatti, si potrà disporre di un biosensore portatile di Nano-Bio-Guardia compatto, di facile utilizzo (anche per l’operatore non specializzato) e relativamente economico in grado di fornire un’analisi in-situ altamente sensibile e rapida per l’individuazione della presenza/assenza di agenti patogeni. Tale sistema consentirà di risolvere analiticamente sistemi complessi in fase liquida, aeriforme e solida e sistemi binari costituiti
da un solido disperso in un liquido. I vantaggi rispetto ai biosensori tradizionali e a quelli portatili attualmente disponibili o in via di sviluppo saranno molteplici.
Prima di tutto il funzionamento di tale sistema si baserà fondamentalmente su principi, processi e componenti relativamente semplici prevedendo quindi metodi di implementazione non sofisticati e la possibilità di realizzare un oggetto altamente compatto, portatile ed economico.
Infatti, il sistema di prelievo di tipo “drop to array” e quello di rilevazione saranno di dimensioni contenute e consentiranno di esportare tecnologie “ lab-on-a-chip” fuori del laboratorio per processi di screening immediati.
In particolare, sarà possibile risolvere e concentrare su specifiche posizioni dell’array perfino cellule batteriche o eucariotiche.
La realizzazione del sistema di Nano-Bio-Guardia sarà possibile grazie alle competenze complementari e interdisciplinari del personale afferente all’Unità di Ricerca INO-NA e di quello afferente all’Unità IMM-NA.
Tali competenze riguardano, nel loro complesso, i seguenti settori: fisica del processo di P-PED; ottica e diagnostica ottica; micro- e opto-elettronica integrata; biologia cellulare e molecolare; bio-sensoristica in campo ambientale e alimentare.
In questo modo il progetto crea i presupposti per una chiara sinergia d’intenti e una reale possibilità di successo.