Nanoparticulele de aur și ADN, un duo revoluționar pentru medicină, împotriva cancerului și a altor boli

Un studiu inovator publicat în prestigiosul jurnal Trends in Analytical Chemistry de către o echipă de cercetători români și francezi – Ana-Maria Crăciun, Simion Aștilean, Monica Focșan și Marc Lamy de la Chapelle – a pus în lumină potențialul remarcabil al nanoparticulelor de aur (AuNP) conjugate cu ADN marcat cu fluorofori. Această cercetare detaliată explorează cum aceste nanoconjugate, cunoscute sub numele de nanobeacons și nano-flares, deschid noi orizonturi pentru diagnosticarea rapidă și precisă a bolilor, dar și pentru dezvoltarea de terapii țintite.

De peste un deceniu, oamenii de știință au explorat modalități de a lega nanoparticule de entități biologice pentru a obține nanoconjugate cu proprietăți superioare și controlate. Nanoparticulele de aur sunt deosebit de atractive datorită stabilității chimice, a sintezei lor ușoare, a biocompatibilității ridicate și a caracteristicilor optice unice legate de fenomenul Surface Plasmon Resonance (SPR). Sub anumite condiții, AuNP-urile pot fie să amplifice semnalul de fluorescență (Metal-Enhanced Fluorescence – MEF), fie să-l stingă eficient printr-un proces numit Fluorescence Resonance Energy Transfer (FRET).

Un mecanism ingenios de detecție: De la stingere la amplificare

Autorii descriu două abordări principale:

• Nanobeacons: Aceste sisteme utilizează un singur șir de ADN (ssDNA) cu o structură de tip tijă-buclă, marcat cu un fluorofor la un capăt și legat de o AuNP la celălalt⁵. În starea inițială, structura tijei-buclei menține fluoroforul aproape de AuNP, stingând fluorescența prin mecanismul FRET. Când nanoprobă întâlnește o moleculă țintă de ADN sau ARN, bucla se deschide, iar distanța dintre fluorofor și AuNP crește, restabilind emisia fluorescentă.
  
• Nano-flares: Acestea constau dintr-o AuNP funcționalizată cu o secvență de ADN care se hibridizează cu un „reporter” fluorescent, adică o altă secvență de ADN marcată cu un fluorofor. Când o moleculă țintă se leagă de ADN-ul de pe AuNP, reporterul fluorescent este „desorbit”, iar semnalul de fluorescență este eliberat.
  

Ambele mecanisme fac ca intensitatea fluorescenței să fie direct proporțională cu concentrația moleculei țintă, permițând o detecție cantitativă.

Aplicații extinse în diagnostic și dincolo de el

Studiul a scos în evidență performanța acestor nanoconjugate într-o gamă largă de aplicații de biosenzori:

• Detectarea ADN/ARN: Această tehnologie a permis detectarea rapidă și sensibilă a secvențelor de ADN, a enzimelor ARN metabolizante (RNaze A) și a mutațiilor genetice. Sensibilitatea atinsă este impresionantă, cu limite de detecție (LOD) de 10 pM pentru ADN și 0,73 fM pentru RNaze A. O abordare bazată pe MEF a reușit să detecteze chiar și concentrații de până la 97.2×10−18 M, deschizând calea pentru diagnosticarea ultra-timpurie. Mai mult, nanosenzorii bazați pe CRISPR/Cas12a pot detecta gena BRCA-1, un marker al cancerului de sân, cu o sensibilitate de 0,34 fM, într-un interval de doar 30 de minute.
  
• Detectarea moleculelor biologice și a compușilor periculoși: Aceste sisteme au demonstrat o eficiență remarcabilă în identificarea biomarkerilor asociați cu boli, cum ar fi ATP-ul, a cărui concentrație este strâns legată de afecțiuni precum Parkinson sau tumori maligne. De asemenea, nanoprobele fluorescente au fost utilizate pentru a detecta ioni de Hg2+ în soluție apoasă și pesticide organofosforice (OPPs) în probe reale, arătând potențialul lor în monitorizarea mediului.
  
• Terapii ghidate de imagistică: Nanobeacons-urile s-au dovedit a fi nu doar unelte de diagnostic, ci și platforme terapeutice (teranostice). Un studiu a demonstrat cum nanobeacons-urile anti-Kras pot ținti, detecta și inhiba o genă mutantă Kras în tumori gastrice la șoareci, rezultând o reducere drastică a dimensiunii tumorii și a metastazelor. Imagistica fluorescentă a confirmat capacitatea acestor nanoconjugate de a localiza și de a acționa selectiv asupra celulelor tumorale, fără a afecta organele sănătoase.

Monitorizarea în timp real a mecanismelor celulare

O altă aplicație crucială este monitorizarea în timp real a proceselor celulare, cum ar fi transportul ARNm sau silențierea genică. Nanobeacons-urile au fost folosite pentru a urmări silențierea genică în embrioni de pește zebră, demonstrând capacitatea lor de a localiza evenimentele moleculare în țesuturi vii. Astfel de instrumente sunt vitale pentru înțelegerea mecanismelor bolilor și pentru dezvoltarea de noi strategii terapeutice, în special în lupta împotriva cancerului.

O privire spre viitor

În ciuda succeselor impresionante, cercetătorii subliniază că sunt necesare eforturi suplimentare pentru a depăși limitări precum stabilitatea sondelor în medii biologice complexe și problemele de autofluorescență. Cu toate acestea, progresele înregistrate sunt o dovadă a faptului că aceste materiale hibride au un potențial imens de a revoluționa medicina și diagnosticul. Combinarea AuNP-urilor cu ADN-ul fluorescent deschide drumul către platforme de biosenzori mult mai sensibile și mai specifice, care vor deveni, în curând, instrumente indispensabile în știința modernă.

Rezultatele acestui studiu sunt promovate de UBB Core, Centrul de orientare profesională pentru cercetători al Universității „Babeș-Bolyai” din Cluj-Napoca, România.