Biossensor de Grafeno Flexível para Detecção Rápida e Altamente Sensível de Células de Câncer Ovariano

Resumo

A detecção precoce de câncer ovariano permanece desafio crítico, largamente devido a sintomas inespecíficos e ausência de ferramentas de triagem confiáveis. Apresentamos biossensor de grafeno flexível e econômico fabricado em tereftalato de polietileno (PET) que detecta células tumorais circulantes (CTCs) com alta sensibilidade e velocidade. O sensor distingue entre meio de cultura celular e suspensões de células de câncer ovariano, responde distintamente a diferentes tipos celulares, e mantém limite de detecção de apenas algumas dezenas de células por mililitro. Notavelmente, o biossensor entrega resposta elétrica mensurável dentro de 5 segundos, oferecendo plataforma promissora para diagnósticos rápidos de ponto de cuidado.

Resumo Gráfico

Introdução

Câncer ovariano é a segunda malignidade ginecológica mais prevalente e principal causa de morte entre mulheres com cânceres ginecológicos. Estratégias atuais de triagem — imagem combinada com teste de antígeno CA125 — oferecem sensibilidade limitada, particularmente em doença em estágio inicial, onde taxas de sobrevivência caem drasticamente. Tumores em estágio inicial liberam CTCs na corrente sanguínea, fornecendo biomarcador não-invasivo que, se detectado com sensibilidade suficiente, poderia transformar desfechos dos pacientes. Embora várias técnicas imunomagnéticas e microfluídicas tenham sido desenvolvidas, nenhuma ainda iguala a alta especificidade e resposta rápida necessárias para adoção clínica.

Grafeno, rede bidimensional de carbono sp²-ligado, emergiu como plataforma versátil para biossensoriamento devido à sua condutividade elétrica excepcional e grande área superficial. Dispositivos prévios baseados em grafeno quantificaram com sucesso biomarcadores proteicos como CEA e PSA, ainda biossensores de grafeno flexíveis e de baixo custo para CTCs de câncer ovariano permanecem inexplorados. Este estudo introduz sensor de grafeno/PET fabricado manualmente que aborda estas lacunas combinando flexibilidade mecânica, resposta rápida e alta sensibilidade.

Materiais e Métodos

Crescimento e Transferência de Filme de Grafeno

Grafeno monocamada foi sintetizado em folha de cobre via deposição química de vapor (CVD). A folha passou por limpeza de 5 minutos em ácido clorídrico, seguida por enxágues em água desionizada e secagem com nitrogênio. Na câmara CVD, temperatura foi elevada a 1000 °C sob atmosfera de hidrogênio (50 sccm) por 20 minutos, então metano (50 sccm) foi introduzido por 20 minutos adicionais para crescer camada de grafeno. Após resfriamento, substrato grafeno/Cu foi cortado, revestido com PMMA, e cobre foi atacado em FeCl₃ 1 M. Pilha PMMA/grafeno foi enxaguada, transferida para PET, e PMMA removido com acetona para produzir filme grafeno/PET.

Fabricação de Biossensores Baseados em Grafeno

Filme de grafeno foi cortado em peças 1 cm×2 cm e transferido para PET. Dois eletrodos de pasta de prata foram posicionados centralmente. Poço de gel de silicone, medindo alguns milímetros em comprimento e largura e ~1 mm em altura, foi moldado ao redor dos eletrodos para criar poço celular. Sensor completo foi verificado com analisador de semicondutor Agilent 4155B.

Cultura de Células de Câncer Ovariano SKOV3

Células SKOV3 (obtidas do laboratório público do Segundo Hospital Afiliado da West China) foram cultivadas em meio RPMI-1640 suplementado com 10% soro de bezerro, mantidas a 37 °C e 5% CO₂.

Preparação de Solução Celular e Medição Elétrica

Suspensões celulares foram diluídas às concentrações desejadas em meio de cultura. Aliquota de 50 µL foi colocada no poço de silicone, e a mudança de corrente resultante foi registrada usando analisador Agilent 4155B.

Resultados e Discussão

Filme de grafeno 10 × 10 cm (Figura 1a) exibiu escurecimento sutil relativo a Cu nu, confirmando cobertura de grafeno. Análise Raman (Figura 1b) revelou picos G e 2D em 1580 cm⁻¹ e 2680 cm⁻¹, enquanto razão I_G/I_2D (<0,5) e pico D desprezível (Figura 1c) confirmaram qualidade monocamada e baixa densidade de defeitos.

a Fotografia de folha de Cu nua (esquerda) e folha de Cu revestida com grafeno (direita). b Espectro Raman de grafeno/Cu. c Espectro Raman de grafeno/SiO₂/Si.

Sensores flexíveis em PET (Figura 2) produziram sinais elétricos claros quando amostra de 50 µL foi adicionada ao poço celular. Corrente basal permaneceu estável antes da adição da amostra; ao contato, a corrente caiu e estabilizou em novo valor. A resposta relativa, definida como η = (I₀ – I)/I₀ × 100%, foi 2,96% para meio livre de células e 37,04% para solução CTC contendo 30 células/mL, indicando sensibilidade pronunciada a células cancerígenas.

Fotografia do biossensor grafeno/PET.

Medidas resolvidas no tempo (Figura 3) mostraram que solução CTC de 30 células/mL atingiu resposta de 5% em apenas 2,1 s, enquanto mesma concentração de meio produziu apenas mudança de 0,15%. A resposta rápida, sub-10-segundos, confirma adequação do sensor para uso em ponto de cuidado.

a Resposta elétrica para meio livre de células. b Resposta para solução cancerígena de 30 células/mL.

Testamos further duas linhas CTC distintas (SUDHL8 e OCILYS) a 10.000 células/mL. Embora ambas exibissem respostas mensuráveis, seus perfis corrente-tempo diferiram significativamente, sugerindo que o sensor pode discriminar entre tipos celulares (Figura 5).

Resposta dependente do tempo para (a) SUDHL8 e (b) OCILYS células.

Finalmente, avaliamos comportamento dependente de concentração do sensor usando células SUDHL8 a 10 K e 100 K células/mL. Concentrações mais altas produziram mudança de corrente ligeiramente menor, refletindo natureza isolante de células densamente empacotadas (Figura 6). Não obstante, sensor manteve resposta distinta, ressaltando seu potencial quantitativo.

a Corrente vs. tempo para 10 K vs 100 K células/mL. b Curvas de resposta correspondentes.

Coletivamente, os dados demonstram que biossensor de grafeno flexível, fabricado manualmente, pode detectar CTCs de câncer ovariano com sensibilidade e rapidez notáveis, discriminar entre tipos celulares, e quantificar concentração celular — tudo em segundos.

Conclusão

Fabricamos biossensor de grafeno simples e flexível em PET que detecta CTCs de câncer ovariano com velocidade e sensibilidade notáveis. Comparando sinais elétricos pré e pós-amostra, o dispositivo distingue meios cancerígenos de não-cancerígenos, identifica diferentes linhas celulares, e quantifica concentração celular. Esta plataforma de baixo custo promete diagnósticos rápidos de ponto de cuidado que poderiam melhorar detecção precoce e monitoramento de câncer ovariano.

Disponibilidade de Dados e Materiais

Todos os dados relevantes estão incluídos no artigo e seus arquivos suplementares.

Abreviações

CA:

Antígeno carboidrato

CTC:

Célula tumoral circulante

PET:

Tereftalato de polietileno

FDA:

Administração de Alimentos e Medicamentos

CVD:

Deposição química de vapor