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Biossensores eletroquímicos para detecção de patógenos

MONTEIRO, Elisabeth Costa

CESEWSKI, Ellen; JOHNSON, Blake N.  Electrochemical biosensors for pathogen detection. Biosens Bioelectron. V. 159, p. 112214, Jul. 2020. DOI: 10.1016/j.bios.2020.112214. Disponível em: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/32364936

O artigo revisa os recentes avanços associados a dispositivos biossensores eletroquímicos destinados à detecção de patógenos. Aborda seus elementos de transdução e de bioreconhecimento, as técnicas eletroquímicas, o desempenho dos biossensores, além de discutir sobre suas importantes aplicações e desafios científicos para atender às atuais demandas de detecção de patógenos.

Na literatura encontram-se revisões abrangentes sobre a detecção de patógenos utilizando as técnicas bioanalíticas como o ensaio de imunoabsorção enzimática (ELISA) e a reação em cadeia da polimerase (PCR). No entanto, poucos estudos abordam os emergentes biossensores label-free, como os biossensores eletroquímicos, que possibilitam a detecção de patógenos sem marcação por algum composto ou enzima, e apresentam características úteis para diversas aplicações. O estudo realiza revisão crítica sobre os biossensores eletroquímicos descritos na literatura desde 2005, considerando aspectos como patógeno alvo, matriz da amostra, projeto e desempenho do dispositivo, método de medição e fabricação, além de aplicações e desafios emergentes.

As técnicas bioanalíticas, como PCR e ELISA, utilizam um elemento seletivo de bioreconhecimento em combinação com um sistema analítico para quantificar componentes de uma amostra. Embora altamente sensíveis e robustos, são métodos destrutivos, com adição de reagentes e complexidade do preparo da amostra. Nos últimos 25 anos, os biossensores vêm fornecendo plataformas complementares às técnicas tradicionais para quantificação de patógenos. Baseados na integração de um elemento de bioreconhecimento a um elemento transdutor, os biossensores permitem a medição sem adição de reagentes e preparo de amostras, sendo compatíveis com protocolos label-free, ou seja, não-rotulados por espécies moleculares fixadas ao elemento alvo.

A revisão discute os elementos transdutores em termos de material do eletrodo e configuração (planar, fio, nanoestruturas, etc). Classificam-se os elementos de bioreconhecimento para detecção de patógenos, incluindo anticorpos, oligonucleotídeos, polímeros impressos; e discutindo aspectos como disponibilidade, produção e abordagem para imobilização desses elementos sobre a superfície do eletrodo. Procedimentos e métodos de medição para detecção de patógenos são classificados em termos de preparação e manuseio de amostras, princípios de medição e emprego de reação de ligação secundária. Discutem-se aplicações de biossensores eletroquímicos para detecção de patógenos na segurança de alimentos e água, diagnóstico médico, monitoramento ambiental e de bioameaça.

A ampla revisão dos biossensores eletroquímicos para detecção de patógenos abrange os métodos, como o potenciométrico, impedimétrico (espectroscopia de impedância eletroquímica), condutométrico, amperométrico; os materiais empregados, como condutores e semicondutores, incluindo metais, como ouro, e não metais, como carbono; e suas configurações (planar, fio, nanoestrutura, multicanal). Esses aspectos impactam no desempenho do biossensor. Os limites de detecção alcançam uma única unidade formadora de placas ou de colônias por mililitro, com ampla faixa dinâmica. Discutem-se os desafios, dentre os quais a configuração de eletrodos descartáveis, reutilizáveis, label-free, portáteis, vestíveis, e com transdução sem fio.

A detecção de vírus e protozoários por biossensores eletroquímicos tem crescido nos últimos anos, mas patógenos bacterianos ainda são os mais comumente detectados. Eletrodos planares de ouro são os mais frequentemente empregados e os nanoestruturados são crescentemente investigados. Biossensores de baixo custo, reutilizáveis, vestíveis e sem fio estão entre os novos desafios investigados. Os biossensores eletroquímicos permitem a detecção rápida, sem preparo de amostras em variadas matrizes ou em superfícies, alta sensibilidade, com plataformas de baixo custo. Esses aspectos são desafios para técnicas bioanalíticas tradicionais e muito importantes para mitigar a pandemia de COVID-19 em curso.