Un innovativo biosensore per il monitoraggio in tempo reale dell’urea durante la dialisi

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Francesco Centorrino

Un gruppo di giovani ricercatori di Pisa ha creato un biosensore basato sul grafene e l’enzima ureasi per monitorare i livelli di urea

Cos’è un biosensore?

Un biosensore è un dispositivo che utilizza un elemento di riconoscimento biologico mantenuto a contatto diretto con un trasduttore. Infatti, i biosensori possono essere definiti come dispositivi in grado di convertire un evento fisico o biologico in un segnale misurabile.

Ogni biosensore è solitamente costituito da tre parti (Fig. 1):
– un biomediatore selettivo per uno specifico analita, rappresentato solitamente da materiali di derivazione biologica o biomimetici come tessuti, microrganismi, organelli, recettori cellulari, enzimi, anticorpi, acidi nucleici ed elementi biologici creati mediante approcci di ingegneria genetica;
– un trasduttore, solitamente fisico-chimico, ottico, piezoelettrico, elettrochimico, ecc., che trasforma il segnale risultante dall’interazione dell’analita con l’elemento biologico in un segnale misurabile e quantificabile;
– una componente elettronica di amplificazione ed elaborazione del segnale, che permette di ottenere risultati facilmente interpretabili.

Rappresentazione schematica della struttura di un biosensore
Figura 1 – Rappresentazione schematica della struttura generica di un biosensore.

Perché è importante monitorare l’urea nelle emodialisi?

L’emodialisi (Fig. 2) rappresenta una terapia sostitutiva della funzione renale ben nota ed estremamente efficace per garantire una completa riabilitazione del paziente.

Rappresentazione schematica del processo di emodialisi
Figura 2 – Rappresentazione schematica del processo di emodialisi.

Le ricerche scientifiche condotte negli ultimi 40 anni e lo sviluppo tecnologico ad esse associato hanno permesso di ottimizzare e personalizzare le terapie, ottenendo risultati fino ad allora insperati, soprattutto dal punto di vista della qualità di vita offerta al paziente.

Il bilancio dell’azoto tra l’apporto nutrizionale e la rimozione dell’urea dal circolo è un continuo processo interattivo che il medico deve gestire assieme al paziente. In particolare, la molecola dell’urea, nonostante la sua moderata tossicità, rappresenta il marker biologico ideale per la valutazione dell’efficienza renale, dato che il suo accumulo nel sangue è strettamente legato al metabolismo proteico mentre la sua eliminazione dipende dal corretto funzionamento renale.

Pertanto, ai fini della valutazione delle diverse terapie emodialitiche, l’eliminazione di questa molecola rappresenta un valido indice per determinare l’efficienza e l’adeguatezza della dose dialitica somministrata.

Lo studio italiano

Il lavoro di ricerca di un gruppo di giovani ricercatori italiani dell’Università di Pisa, guidati dal Prof. Fabio Di Francesco, si è incentrato sullo sviluppo di un biosensore atto alla misurazione dell’urea, con lo scopo di essere implementato all’interno dei macchinari dialitici.

Questa ricerca scientifica ha portato alla realizzazione di un innovativo biosensore monouso dell’urea (Fig. 3) basato sull’enzima ureasi immobilizzato su ossido di grafene ridotto, per il monitoraggio in tempo reale della concentrazione di urea nei pazienti che necessitano di dialisi o trapianto.

Fotografia dell'innovativo biosensore basato sul grafene e sull'enzima ureasi.
Figura 3 – Fotografia dell’innovativo biosensore per la misurazione dell’urea nel sangue di pazienti sottoposti a emodialisi (immagine del Dott. Bonini).

Le prestazioni del sensore sono state testate in uno scenario reale in collaborazione con l’Unità di Nefrologia dell’Azienda Ospedaliera-Universitaria Pisana. In particolare, la concentrazione di urea è stata valutata su campioni di plasma di pazienti dializzati usando una misurazione potenziometrica.

Secondo gli autori dello studio scientifico: “Questa idea nasce dall’esigenza di provare a risolvere un problema, ossia quello della personalizzazione del trattamento dialitico. Bisogna pensare che un soggetto sottoposto a dialisi deve recarsi con cadenza trisettimanale in ospedale per effettuare un trattamento che in genere ha una durata di circa 3-4 ore. La durata di questo trattamento non viene valutata sui parametri di efficienza della singola seduta, così, alle volte, alcuni pazienti sono sottoposti a trattamenti che hanno tempistiche più lunghe del necessario.”

I giovani ricercatori italiani, attualmente dottorandi di ricerca in Scienze Chimiche e dei Materiali presso il Dipartimento di Chimica e Chimica Industriale, hanno evidenziato i vantaggi di un biosensore monouso per il monitoraggio in tempo reale dell’urea durante una dialisi: “Uno dei parametri che si utilizza per valutare l’efficacia del trattamento dialitico è la cinetica di urea nel sangue filtrato. Purtroppo, tale paramento non può essere analizzato a tempi diversi per ogni paziente, infatti, campionare e spedire al laboratorio di analisi comporterebbe una tempistica e un costo insostenibili per il nostro sistema sanitario. In questo scenario, l’idea è quella di sviluppare un biosensore che possa monitorare in continuo la concentrazione di urea, in modo da poter decidere di terminare la seduta al raggiungimento dell’effettiva soglia necessaria per stabilire l’efficacia del trattamento. Questo risparmio di tempo comporterebbe un beneficio per la vita del paziente e una riduzione dei costi sanitari.”

L’enzima ureasi

Questo sensore si basa su un metodo di trasduzione potenziometrica che prevede la combinazione di un materiale a base grafenica, responsivo al pH, con l’immobilizzazione dell’enzima ureasi (EC 3.5.1.5).

Questo enzima, appartenente alla classe delle idrolasi, catalizza l’idrolisi del substrato urea in anidride carbonica e ammoniaca (Fig. 4). Inoltre, esso è disponibile commercialmente e viene isolato da diverse specie microbiche tra cui Actinomyces naeslundii, Aspergillus niger, Canavalia ensiformis, Coccidioides immitis, Corynebacterium ammoniagenes, Haloarcula marismortui e Lactobacillus animalis.

Reazione chimica di idrolisi dell’urea in biossido di carbonio e ammoniaca da parte dell’enzima ureasi.
Figura 4 – Reazione chimica di idrolisi dell’urea in biossido di carbonio e ammoniaca da parte dell’enzima ureasi.

Infine, l’ammoniaca prodotta dal biomediatore del biosensore genera una variazione locale di pH che può essere registrata come una differenza di potenziale tra uno pseudo-elettrodo di riferimento (Ag/AgCl) e il materiale grafenico opportunamente funzionalizzato (elettrodo di lavoro). Tale variazione di pH è opportunamente correlata alla concentrazione di urea presente nel plasma del paziente, in modo da consentirne il monitoraggio in tempo reale.

Nicola Di Fidio

Sitografia:

Bibliografia:

  • Bonini, A., Vivaldi, F. M., Herrera, E., Melai, B., Kirchhain, A., Sajama, N. V. P., Mattonai, M., Caprioli, R., Lomonaco, T., Di Francesco, F., Salvo, P. (2020). A Graphenic Biosensor for Real-Time Monitoring of Urea during Dialysis. IEEE Sensors Journal, 20(9), 4571-4578.

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Francesco Centorrino

Sono Francesco Centorrino e sono il creatore di Microbiologia Italia. Mi sono laureato a Messina in Biologia con il massimo dei voti ed attualmente lavoro come microbiologo in un laboratorio scientifico. Amo scrivere articoli inerenti alla salute, medicina, scienza, nutrizione e tanto altro.

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