Un biosensor flexible de grafeno para detección rápida y altamente sensible de células de cáncer ovárico

Resumen

La detección temprana de cáncer ovárico sigue siendo un desafío crítico, debido en gran parte a síntomas inespecíficos y la ausencia de herramientas de cribado confiables. Presentamos un biosensor de grafeno flexible y rentable fabricado en tereftalato de polietileno (PET) que detecta células tumorales circulantes (CTCs) con alta sensibilidad y velocidad. El sensor distingue entre medio de cultivo celular y suspensiones de células de cáncer ovárico, responde distintamente a diferentes tipos celulares, y mantiene un límite de detección de solo unas pocas docenas de células por mililitro. Notablemente, el biosensor entrega una respuesta eléctrica medible dentro de 5 segundos, ofreciendo una plataforma prometedora para diagnósticos rápidos de punto de atención.

Resumen Gráfico

Introducción

El cáncer ovárico es la segunda malignidad ginecológica más prevalente y la principal causa de muerte entre mujeres con cánceres ginecológicos. Las estrategias actuales de cribado —imagen combinada con prueba de antígeno CA125— ofrecen sensibilidad limitada, particularmente en enfermedad en etapa temprana, donde las tasas de supervivencia caen drásticamente. Tumores en etapa temprana liberan CTCs al torrente sanguíneo, proporcionando un biomarcador no invasivo que, si se detecta con sensibilidad suficiente, podría transformar resultados de pacientes. Aunque varias técnicas inmunomagnéticas y microfluídicas han sido desarrolladas, ninguna aún iguala la alta especificidad y respuesta rápida necesarias para adopción clínica.

El grafeno, una red bidimensional de carbono sp² enlazado, ha emergido como una plataforma versátil para biosensores debido a su excepcional conductividad eléctrica y gran área superficial. Previos dispositivos basados en grafeno han cuantificado exitosamente biomarcadores proteicos como CEA y PSA, sin embargo biosensores de grafeno flexibles y de bajo costo para CTCs de cáncer ovárico permanecen inexplorados. Este estudio introduce un sensor de grafeno/PET fabricado a mano que aborda estas brechas combinando flexibilidad mecánica, respuesta rápida y alta sensibilidad.

Materiales y Métodos

Crecimiento y Transferencia de Película de Grafeno

Grafeno monocapa fue sintetizado en lámina de cobre vía deposición química de vapor (CVD). La lámina sufrió limpieza de 5 minutos con ácido clorhídrico, seguida de enjuagues con agua desionizada y secado con nitrógeno. En la cámara CVD, la temperatura se rampó a 1000 °C bajo atmósfera de hidrógeno (50 sccm) por 20 minutos, luego metano (50 sccm) fue introducido por 20 minutos adicionales para crecer la capa de grafeno. Tras enfriamiento, el sustrato grafeno/Cu fue cortado, recubierto con PMMA, y el cobre fue grabado en FeCl₃ 1 M. La pila PMMA/grafeno fue enjuagada, transferida a PET, y el PMMA fue removido con acetona para obtener una película grafeno/PET.

Fabricación de Biosensores Basados en Grafeno

La película de grafeno fue cortada a piezas de 1 cm×2 cm y transferida a PET. Dos electrodos de pasta de plata fueron posicionados centralmente. Un pozo de gel de silicona, midiendo varios milímetros en largo y ancho y ~1 mm en altura, fue moldeado alrededor de los electrodos para crear una piscina celular. El sensor completado fue verificado con un analizador de semiconductores Agilent 4155B.

Cultivo de Células de Cáncer Ovárico SKOV3

Células SKOV3 (obtenidas del laboratorio público del Segundo Hospital Afiliado de West China) fueron cultivadas en medio RPMI-1640 suplementado con 10% suero de ternero, mantenidas a 37 °C y 5% CO₂.

Preparación de Solución Celular y Medición Eléctrica

Suspensiones celulares fueron diluidas a concentraciones deseadas en medio de cultivo. Un alícuota de 50 µL fue colocada en el pozo de silicona, y el cambio de corriente resultante fue registrado usando el analizador Agilent 4155B.

Resultados y Discusión

La película de grafeno de 10×10 cm (Figura 1a) mostró un oscurecimiento sutil relativo a Cu desnudo, confirmando cobertura de grafeno. Análisis Raman (Figura 1b) reveló picos G y 2D en 1580 cm⁻¹ y 2680 cm⁻¹, mientras la relación I_G/I_2D (<0.5) y pico D insignificante (Figura 1c) confirmaron calidad monocapa y baja densidad de defectos.

a Fotografía de lámina Cu desnuda (izq) y Cu recubierto de grafeno (der). b Espectro Raman de grafeno/Cu. c Espectro Raman de grafeno/SiO₂/Si.

Sensores flexibles en PET (Figura 2) produjeron señales eléctricas claras cuando una muestra de 50 µL fue añadida al pozo celular. La corriente base permaneció estable antes de la adición de muestra; al contacto, la corriente cayó y se estabilizó en un nuevo valor. La respuesta relativa, definida como η = (I₀ – I)/I₀ × 100%, fue 2.96% para medio libre de células y 37.04% para una solución CTC conteniendo 30 células/mL, indicando sensibilidad pronunciada a células cancerosas.

Fotografía del biosensor grafeno/PET.

Mediciones resueltas en tiempo (Figura 3) mostraron que una solución CTC de 30 células/mL alcanzó respuesta 5% en solo 2.1 s, mientras la misma concentración de medio solo produjo cambio 0.15%. La respuesta rápida, sub-10-segundos, confirma la idoneidad del sensor para uso en punto de atención.

a Respuesta eléctrica para medio libre de células. b Respuesta para solución cáncer 30 células/mL.

Probamos además dos líneas CTC distintas (SUDHL8 y OCILYS) a 10,000 células/mL. Aunque ambas exhibieron respuestas medibles, sus perfiles corriente-tiempo difirieron significativamente, sugiriendo que el sensor puede discriminar entre tipos celulares (Figura 5).

Respuesta dependiente del tiempo para (a) SUDHL8 y (b) OCILYS.

Finalmente, evaluamos el comportamiento dependiente de concentración del sensor usando células SUDHL8 a 10K y 100K células/mL. Concentraciones más altas produjeron un cambio de corriente ligeramente menor, reflejando la naturaleza aislante de células densamente empaquetadas (Figura 6). No obstante, el sensor mantuvo una respuesta distinta, subrayando su potencial cuantitativo.

a Corriente vs tiempo para 10K vs 100K células/mL. b Curvas de respuesta correspondientes.

Colectivamente, los datos demuestran que un biosensor de grafeno flexible, fabricado a mano, en PET puede detectar CTCs de cáncer ovárico sensible y rápidamente, discriminar entre tipos celulares, y cuantificar concentración celular —todo en segundos.

Conclusión

Hemos fabricado un biosensor de grafeno simple, flexible en PET que detecta CTCs de cáncer ovárico con notable velocidad y sensibilidad. Al comparar señales eléctricas pre y post-muestra, el dispositivo distingue medios cancerosos de no cancerosos, identifica diferentes líneas celulares, y cuantifica concentración celular. Esta plataforma de bajo costo promete diagnósticos rápidos de punto de atención que podrían mejorar detección temprana y monitoreo de cáncer ovárico.

Disponibilidad de Datos y Materiales

Todos los datos relevantes están incluidos en el artículo y sus archivos suplementarios.

Abreviaturas

CA:

Antígeno carbohidrato

CTC:

Célula tumoral circulante

PET:

Tereftalato de polietileno

FDA:

Administración de Alimentos y Medicamentos

CVD:

Deposición química de vapor