Biosensori innovativi per l’ambiente e la salute

La Piattaforma relativa ai “biosensori innovativi per l’ambiente e la salute” si propone di sviluppare biosensori di nuova generazione, funzionalizzati, nano strutturati e non, multiplexed, per l’ambiente e la salute.
In particolare, vengono identificate due grandi aree di applicabilità di tali dispositivi:

• monitoraggio di inquinanti ambientali che tendono a biomagnificare all’interno delle catene alimentari, con conseguente impatto sulla salute umana;
• diagnostica molecolare e clinica, con particolare riguardo alla valutazione di marker clinici, agenti infettivi, farmaci per la cura di malattie croniche e degenerative (i.e. Alzheimer).

Nella nostra società vi è una crescente richiesta di strumenti analitici semplici, rapidi, efficienti e affidabili per il monitoraggio di inquinanti ambientali quali POP (Persistent Organic Pollutants) di cui i più rappresentativi sono gli IPA, i PCB, i PBDE, inquinanti inorganici (i.e. metalli pesanti) e tossine algali.
Anche nel settore della diagnostica molecolare/clinica c’è un’urgente esigenza di avere a disposizione metodi analitici con caratteristiche analoghe per dosare e valutare markers clinici (i.e. markers tumorali), l’insorgenza di malattie immunomediate, agenti infettivi. L’obiettivo è la realizzazione di un dispositivo che potrà essere utilizzato anche nel ‘doctor office’ e/o in strutture non ospedialere diventando un“Point Of Care Testing’ (POCT).
Lo sviluppo di sensori elettrochimici e biosensori, con diversi tipi di trasduzione, nelle aree di interesse, rappresentano il punto di forza delle UdR proponenti tale piattaforma.

Il lavoro dei ricercatori INBB ha contribuito in maniera significativa allo sviluppo di metodi bioanalitici e biosensori (metodi immunometrici e genici, biosensori cellulari luminescenti, immunosensori, biosensori enzimatici ad inibizione, biosensori a DNA, metodi per “high throughput screening” e di immunoistochimica ed ibridizzazione “in situ”, metodi per imaging molecolare “in vivo”) con rivelazione elettrochimica, fluorimetrica, piezoelettrica, plasmonica convenzionale e per immagini, e luminescente (bio-, chemi-, elettrochemi-, e termochemiluminescente) per applicazioni nel settore biomedico, farmaceutico, agroalimentare, ambientale e della medicina veterinaria. Sono stati, inoltre, sviluppati dispositivi analitici portatili adatti per applicazioni sul campo e/o in sedi decentrate che utilizzano apparecchiature portatili, spesso accoppiate a sistemi di microfluidica. L’impegno dei ricercatori INBB nel settore specifico è anche riportato dalle relazioni sulle attività svolte presentate nell’ambito dei Convegni Nazionali INBB, tra i quali si ricordano quelli più recenti relativi al IX Convegno Nazionale INBB, tenutosi a Roma il 21-22 Ottobre 2010 e del X Convegno Nazionale INBB, tenutosi a Roma il 22-23 Ottobre 2012, il cui programma dettagliato con gli abstract delle relazioni è presente sul sito www.inbb.it

Le attività che i ricercatori INBB intendo attuare nel prossimo futuro sono volte allo sviluppo di due sistemi ibridi di (bio)sensori; il primo adatto alla rivelazione simultanea di un ampio numero di sostanze tossiche o dannose (di origine biologica o chimica) presenti nell’ambiente, il secondo mirato all’individuazione di target molecolari e clinici di grande impatto sulla salute umana.

Per quanto riguarda lo sviluppo di biosensori per l’ambiente, ogni sistema sarà costituito da una piattaforma di (bio)sensori basati su differenti elementi di riconoscimento biologici/chimici (aptameri, enzimi, anticorpi, cellule) e diversi principi di trasduzione (luminescenza chimica, fluorescenza, plasmonica, elettrochimica, piezoelettrica). I sistemi progettati secondo tale architettura saranno molto versatili e facilmente adattabili ad una analisi “multiplexed” mirata alla rivelazione simultanea di più target in diverse matrici. In tal modo sarà possibile ottenere informazioni ortogonali su ogni specifico composto di interesse, ottimizzare il range dinamico e la sensibilità della misura ed evitare possibili effetti interferenti da parte delle matrici da analizzare. Il sistema progettato per il monitoraggio di inquinanti ambientali opererà su due livelli. Un primo livello non selettivo, basato su biosensori cellulari, sarà utilizzato come sistema di allarme precoce ed avrà un’elevata probabilità di rivelare le sostanze d’interesse. Tale primo livello di monitoraggio si baserà pertanto sull’osservazione di effetti tossici degli analiti su varie linee cellulari (bioluminescenti wild-type o modificate geneticamente) opportunamente accoppiate a sistemi ottici. In particolare, utilizzando diversi tipi di cellule, in parallelo, sarà possibile monitorare un’ampia varietà di composti tossici (es. epatotossici o neurotossici). Un secondo livello, più discriminante, impiegherà una piattaforma di diversi biosensori e sarà finalizzato a confermare la presenza dei composti d’interesse, permettendo analisi (semi)quantitative e con bassa probabilità di falsi positivi. Tale secondo livello di monitoraggio, volto alla rivelazione selettiva di un “panel” di molecole target o classi di target, confermerà le informazioni ottenute nel primo livello di monitoraggio minimizzando la probabilità di falsi positivi. Tale stadio si baserà:

1. sulla determinazione diretta di composti elettroattivi (i.e. metalli pesanti) impiegando materiali elettrodici opportunamente funzionalizzati e/o nano-strutturati;
2. su biosensori a inibizione enzimatica, immunosensori/aptasensori, e biosensori cellulari, sfruttando differenti tipi di trasduttore. Anche in questo caso, l’elemento biologico (enzima, anticorpo, aptamero, cellule) che funge da selettore del segnale, potrà essere accoppiato a materiale nano-strutturato allo scopo di migliorare le “perfomance” analitiche dei biosensori stessi.

Questo secondo livello, se accoppiato a sistemi di microfluidica, permetterà il monitoraggio in continuo delle concentrazioni ambientali, consentendo perciò la valutazione in tempo reale dell’efficacia di eventuali procedure di bonifica in atto.

Per quanto riguarda lo sviluppo di biosensori per la diagnostica molecolare/clinica, si opererà essenzialmente sul secondo livello di monitoraggio con l’obiettivo di realizzare una piattaforma integrata multiparametrica che potrà essere utilizzata anche nel ‘doctor office’ e/o in strutture non ospedaliere diventando un“Point Of Care Testing’ (POCT). In tal modo sarà possibile effettuare uno screening di una popolazione più ampia ed eseguire tempestivamente una diagnosi precoce di malattie (tumorali, croniche e degenerative, immunomediate), predire strategie terapeutiche idonee e personalizzate e monitorare l’efficacia della terapia stessa. La realizzazione del progetto richiederà un approccio multidisciplinare: le competenze specifiche dei partecipanti consentiranno lo sviluppo di (bio)sensori con diversi tipi di trasduzione, concepiti per essere integrati in due piattaforme ibride sensoristiche mirate, una al monitoraggio di inquinanti ambientali, l’altra alla diagnosi precoce di malattie gravi. Il vantaggio di questi sistemi rivoluzionerà non solo l’approccio ambientale e diagnostico, ma anche il follow up di un’eventuale terapia farmacologica o processo di bonifica ambientale, permettendo di ottimizzare la cura del paziente o gli interventi di sanatoria ambientale riducendone contemporaneamente i costi (in particolare per tutte quelle terapie o bonifiche che necessitano di un monitoraggio continuo di determinati parametri).

Diverse UdR INBB operano nella Piattaforma relativa a “biosensori innovativi per l’ambiente e per la salute”: in primo luogo le UdR di Bologna, di Firenze, di Napoli II Università, di Padova, di Roma Tor Vergata, di Roma Tre.

ALCUNE PUBBLICAZIONI RECENTI

• Esteban Fernández de Ávila B, Watkins HM, Pingarrón JM, Plaxco KW, Palleschi G, Ricci F. Determinants of the Detection Limit and Specificity of Surface-Based Biosensors Anal Chem. 2013; 85 (14): 6593–6597.
• Ricci F, Adornetto G, Palleschi G. A review of experimental aspects of electrochemical immunosensors. Electrochim Acta. 2012;84:74-83.
• Arduini F, Giudone S, Amine A, Palleschi g, Moscone D. Acetylcholinesterase biosensor based on self-assembled monolayer-modified gold-screen printed electrodes for organophosphorus insecticide detection. Sensors and Actuators B 2013; 179: 201-208.
• Calvo Quintana J, Arduini F, Amine A, van Vezen K, Palleschi G, Moscone D. Part two: Analytical optimization of a procedure for lead detection in milk by means of bismuth-modified screen-printed electrodes. Anal Chim Acta 2012; 736: 92-99.
• Roda A, Cevenini L, Borg S, Michelini E, Calabretta MM, Schuler D: Bioengineered bioluminescent magnetotactic bacteria as a powerful tool for chip-based whole-cell biosensors. Lab Chip 2013, 13, 4881-4889.
• Cevenini L, Michelini E, D’Elia M, Guardigli M, Roda A: Dual-color bioluminescent bioreporter for forensic analysis: evidence of androgenic and anti-androgenic activity of illicit drugs. Anal Bioanal Chem 2013, 405, 1035-1045.
• Casolari S, Roda B, Mirasoli M, Zangheri M, Patrono D, Reschiglian P, Roda A: Gravitational field-flow fractionation integrated with chemiluminescence detection for a self-standing point-of-care compact device in bioanalysis. Analyst 2013, 138, 211-219.
• Mirasoli M, Buragina A, Dolci LS, Simoni P, Anfossi L, Giraudi G, Roda A: Chemiluminescence-based biosensor for fumonisins quantitative detection in maize samples. Biosens Bioelectron 2012,32, 283-287.
• Mariani S. & Minunni M. Surface plasmon resonance applications in clinical analysis, Anal Bioanal Chem DOI 10.1007/s00216-014-7647-5.
• Laschi S., Palchetti I., Marrazza G., Mascini M., Innovative Electrodes to Control Trace Metal Ionization Used to Treat Pathogens in Water Distribution Systems, 2012 LNEE, Vol 109, 25-30
• Ilkhani, H.; Mascini, M.; Marrazza, G., The potential affibodies in new cancer marker immunosensors. 2012; Vol. 109 LNEE, 15-18.
• Ermini, M.L., S. Mariani, S. Scarano, D. Campa, R. Barale, M. Minunni, Single Nucleotide Polymorphism detection by optical DNA-based sensing coupled to whole genomic amplification. Analytical Bioanalytical Chemistry, Wiley-VCH, Ed. A. Roda, 2013, 405, 985-993.
• BottiniG., Losito F., Arienzo A., Priolisi F.R., Mari A., Visca P. and Antonini G. .A new method for microbiological analysis that could be used for Point-Of-Care Testing (POCT). The Open Emergency Medicine Journal, 2013, 5, 13-15. DOI: 10.2174/1876542401305010013