La rivoluzionaria tecnologia dei microchip su scala nanometrica potrebbe rivoluzionare la diagnosi delle malattie / Breakthrough Nanoscale Microchip Technology Could Revolutionize Disease Diagnosis

 La rivoluzionaria tecnologia dei microchip su scala nanometrica potrebbe rivoluzionare la diagnosi delle malattie / Breakthrough Nanoscale Microchip Technology Could Revolutionize Disease Diagnosis

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

I ricercatori della NYU Tandon School of Engineering hanno sviluppato un microchip in grado di rilevare, su scala nanometrica, più malattie da un singolo campione d'aria, rendendo la promessa di una diagnostica portatile e domestica più vicina alla realtà. Il nuovo progresso nei transistor a effetto di campo (FET), descritto sulla rivista Nanoscale, potrebbe alla fine essere integrato in dispositivi come gli smartwatch per rilevare concentrazioni minuscole di virus o batteri nell'aria.

"Questo studio apre nuovi orizzonti nel campo della biosensoristica", ha affermato Elisa Riedo, PhD, professoressa di ingegneria chimica e biomolecolare presso la NYU Tandon. "I microchip, la spina dorsale di smartphone, computer ed altri dispositivi intelligenti, hanno trasformato il modo in cui le persone comunicano, si intrattengono e lavorano. Allo stesso modo, oggi la nostra tecnologia consentirà ai microchip di rivoluzionare l'assistenza sanitaria, dalla diagnostica medica alla salute ambientale".

Questi ricercatori, tra cui Davood Shahrjerdi, PhD, professore di ingegneria elettrica ed informatica alla NYU Tandon, Giuseppe de Peppo, PhD, professore associato del settore alla NYU, e Riedo, hanno iniziato a sfruttare la potenza dei FET per andare oltre le loro consuete funzioni elettroniche nei dispositivi intelligenti ed identificare invece i patogeni tramite segnali digitali univoci.

"La tecnologia innovativa dimostrata in questo articolo utilizza i FET, sensori elettronici in miniatura che rilevano direttamente i marcatori biologici e li convertono in segnali digitali", ha affermato Shahrjerdi, che è anche direttore della NYU Nanofabrication Cleanroom, che ha prodotto i microchip. "Questo approccio avanzato consente risultati più rapidi, test per più malattie contemporaneamente e trasmissione immediata dei dati agli operatori sanitari".

Lo sviluppo di questi FET è stato spinto dai recenti progressi nei materiali come grafene, ossido di indio e nanofili che rendono possibile rilevare segnali biologici a concentrazioni estremamente basse, fino a livelli femtomolari (un quadrilionesimo di mole). Finora, tuttavia, rilevare più patogeni contemporaneamente su un singolo chip è rimasta una sfida significativa.

Per risolvere questo problema, gli investigatori hanno utilizzato una nuova tecnica chiamata litografia a sonda a scansione termica (tSPL) per fabbricare i chip. La tSPL è una tecnologia rivoluzionaria che consente la modellazione precisa delle superfici FET a risoluzioni di soli 20 nanometri. Ciò consente di progettare transistor dotati di biorecettori unici. Questi biorecettori unici, tutti su un singolo chip, consentono di rilevare più patogeni contemporaneamente.

Quando il gruppo ha testato i suoi nuovi chip, ha scoperto che i suoi biosensori basati su FET erano in grado di rilevare appena tre concentrazioni attomolari di proteine ​​spike del SARS-CoV-2 e solo 10 particelle di virus vivo per millilitro, distinguendo efficacemente tra diversi ceppi di virus, tra cui l'influenza A. Questo elevato livello di specificità è un'importante svolta per la creazione di una nuova generazione di diagnostica che potrebbe essere utilizzata sia in ambito clinico che a casa.

La ricerca è stata supportata dalla società di diagnostica molecolare Mirimus e dalla società australiana di costruzioni ed investimenti LendLease, che sta esplorando modi per integrare tecnologie innovative di monitoraggio della salute nelle infrastrutture urbane. Entrambe le società stanno collaborando con i ricercatori della NYU per portare sul mercato queste nuove diagnosi.

Con il continuo progresso della tecnologia dei semiconduttori, la fattibilità di scalare questi microchip per un uso diffuso sta crescendo. Il potenziale dei biosensori basati su FET per trasformare il rilevamento delle malattie è enorme, consentendo diagnosi in tempo reale che potrebbero aiutare a ridurre il carico sui sistemi sanitari e consentire alle persone di monitorare la propria salute.

ENGLISH

Researchers at the NYU Tandon School of Engineering have developed of a microchip that can detect, at nanoscale, multiple diseases from a single air sample, bringing the promise of portable, at-home diagnostics closer to reality. The new advance in field-effect transistors (FETs), described in the journal Nanoscale, could eventually be integrated into devices such as a smartwatches to detect miniscule concentrations of viruses or bacteria in the air.

“This study opens new horizons in the field of biosensing,” said Elisa Riedo, PhD, a professor in chemical and biomolecular engineering at NYU Tandon. “Microchips, the backbone of smartphones, computers, and other smart devices, have transformed the way people communicate, entertain, and work. Similarly, today, our technology will allow microchips to revolutionize healthcare, from medical diagnostics to environmental health.”

These researchers, including Davood Shahrjerdi, PhD, a professor of electrical and computer engineering at NYU Tandon, Giuseppe de Peppo, PhD, an industry associate professor at NYU, and Riedo embarked on leveraging the power of FETs to move beyond their usual electronic functions in smart devices to instead identify pathogens via unique digital signals.

“The innovative technology demonstrated in this article uses FETs—miniature electronic sensors that directly detect biological markers and convert them into digital signals,” said Shahrjerdi, who is also director of the NYU Nanofabrication Cleanroom, which produced the microchips. “This advanced approach enables faster results, testing for multiple diseases simultaneously, and immediate data transmission to healthcare providers.”

The development of these FETs was propelled by recent advances in materials such as graphene, indium oxide, and nanowires that make it possible to detect biological signals at extremely low concentrations—down to femtomolar levels (one quadrillionth of a mole). Until now, however, detecting multiple pathogens at once on a single chip remained a significant challenge.

To address this, the investigators used a novel technique called thermal scanning probe lithography (tSPL) to fabricate the chips. tSPL is a breakthrough technology that allows the precise patterning of FET surfaces at resolutions as fine as 20 nanometers. This allows the to be designed with transistors that have unique bioreceptors. These unique bioreceptors all on a single chip allows for the detection of multiple pathogens at once.

When the team tested their new chips, they found their FET-based biosensors were able to detect as few as three attomolar concentrations of SARS-CoV-2 spike proteins and just 10 live virus particles per milliliter, while effectively distinguishing between different virus strains, including influenza A. This high level of specificity is an important breakthrough for creating a new generation of diagnostics that could be used both in the clinical setting and at home.

The research was supported by molecular diagnostics firm Mirimus, and Australian construction and investment company LendLease, which is exploring ways to integrate innovative health monitoring technologies into urban infrastructure. Both companies are collaborating with NYU researchers to bring these new diagnostics to market.

As semiconductor technology continues to advance, the feasibility of scaling these microchips for widespread use is growing. The potential for FET-based biosensors to transform disease detection is enormous—enabling real-time diagnostics that could help reduce the burden on healthcare systems and allow people to monitor their own health.

Da:

https://www.insideprecisionmedicine.com/topics/molecular-dx/breakthrough-nanoscale-microchip-technology-could-revolutionize-disease-diagnosis/