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INGENIERÍA

Biosensores en medicina

Portátiles y precisos, estos dispositivos apuntan a mejorar el diagnóstico de enfermedades infecciosas y genéticas

Electrodo usado en la concepción de dispositivos para la detección de antígenos y anticuerpos

Léo Ramos Chaves

Avances recientes en el terreno de la biología molecular están ampliando las posibilidades de uso de biosensores en el diagnóstico y la prevención de enfermedades. Estos dispositivos, desarrollados con base en elementos de reconocimiento biológico tales como antígenos y anticuerpos, pueden convertirse en aparatos portátiles y baratos similares a los utilizados en la medición de los niveles de glucosa en la sangre. Ampliamente utilizados en otros países, los biosensores atraen cada vez más la atención de grupos de investigación brasileños, que en los últimos años han pasado a trabajar en dispositivos destinados específicamente a la detección de enfermedades infecciosas olvidadas, asociadas a la pobreza y a la falta de saneamiento básico. Tal es el caso de los científicos del Grupo de Nanomedicina y Nanotoxicología del Instituto de Física de São Carlos de la Universidad de São Paulo (IFSC-USP). Desde 2010, estos investigadores trabajan en el desarrollo de un conjunto de sensores capaces de detectar señales de diversas enfermedades. De mostrarse eficaces en los próximos estadios de evaluación, estos aparatos pueden erigirse en una alternativa a los exámenes realizados en laboratorios de análisis clínicos y utilizarse en consultorios médicos o en manos de los agentes sanitarios en sus visitas domiciliarias a las personas que viven en zonas remotas de Brasil.

En Estados Unidos, los médicos están utilizando desde hace algún tiempo los biosensores para acelerar los resultados de análisis o en el monitoreo de las condiciones de salud de individuos acometidos por enfermedades tales como el sida y la hepatitis C. En otras situaciones ayudan a medir los niveles de oxígeno o alcohol en la sangre, como en el caso de un biosensor flexible creado por científicos de la Universidad de California en San Diego. También los Institutos Nacionales de Salud (NIH) de dicho país se abocan a investigaciones destinadas a la concepción de biosensores médicos basados en sistemas diversos, ya sea de atracción química, de corrientes eléctricas y detección de luz, entre otros.

Léo Ramos Chaves Microbalanza de cristal de cuarzo…Léo Ramos Chaves

En el IFSC-USP, uno de los biosensores médicos en estadio más avanzado de desarrollo es el de diagnóstico del dengue, una enfermedad que acomete a 390 millones de personas en el mundo anualmente, de acuerdo con la Organización Mundial de la Salud (OMS). Este dispositivo se basa en la detección eléctrica de la proteína NS1, secretada por el virus en la corriente sanguínea durante los primeros días después de la infección. Esa proteína, un antígeno, induce una respuesta inmunitaria en el organismo humano para producir anticuerpos contra ella. El problema reside en que eso sucede solamente después del quinto día, lo que dificulta la detección precoz de la enfermedad. Para acelerar este proceso, los físicos Nirton Cristi y Alessandra Figueiredo, bajo la coordinación del ingeniero de materiales Valtencir Zucolotto y del físico Francisco Guimarães, desarrollaron un sistema de diagnóstico del dengue con base en la inmunoglobulina IgY, un anticuerpo que combate a la NS1.

La IgY fue aislada de gallinas inoculadas con NS1 y luego inmovilizada en un electrodo de oro acoplado a un circuito sobre el cual existe un flujo constante de electrones. La idea es que el examen se realice con una gota de sangre sobre el dispositivo. De haber infección, al entrar en contacto con la NS1, la inmunoglobulina IgY altera el flujo de electrones produciendo una señal, que queda registrada y es procesada por un software. El resultado sale a lo sumo en 20 minutos. “Cuanto mayor es la concentración de NS1 en el electrodo, más intensa será la alteración del potencial eléctrico”, explica Nirton Cristi, en la actualidad docente en el Instituto de Ciencia y Tecnología de la Universidad Federal de São Paulo (Unifesp), en São José dos Campos. Este proyecto se desarrolló junto con la empresa DNApta Biotecnologia, con sede en São José do Rio Preto, que comparte los derechos de la patente de la tecnología.

Cleverton Pirich …utilizada por los científicos de la UFPR en el desarrollo de un aparato destinado al diagnóstico del dengueCleverton Pirich

Mediante un abordaje distinto, la profesora Maria Rita Sierakowski y el doctorando Cleverton Luiz Pirich, del grupo BioPol de la Universidad Federal de Paraná (UFPR), crearon un biodispositivo de detección de la NS1 basado en una microbalanza de cuarzo con sensores piezoeléctricos capaces de generar corriente eléctrica cuando se deforman debido a la acción de una presión mecánica. Este sistema se desarrolló en colaboración con el Instituto de Química de la USP. Está compuesto por un cristal de cuarzo, un electrodo de oro revestido con polietilenimina y nanopelículas de nanocristales de celulosa bacteriana modificados para reaccionar químicamente al entrar en contacto con la NS1, alterando los patrones de frecuencia y disipación de energía en los nanocristales. “De este modo, cuando se pone una muestra de suero con NS1 sobre el biosensor, es posible verificar con un software si la proteína se ha unido a la superficie del material a través de la detección de microvibraciones mecánicas”, explica Sierakowski.

El biosensor para el diagnóstico del dengue integra una serie de dispositivos creados por los científicos de São Carlos. Todos se basan en sistemas electroquímicos que alteran patrones de señales eléctricas al detectar eventos biológicos específicos. Uno de los primeros biosensores que concibieron es capaz de detectar y distinguir anticuerpos de leishmaniasis y de la enfermedad de Chagas, en la actualidad diagnosticadas con la ayuda de la técnica Elisa, que permite detectar anticuerpos específicos en muestras de sangre. Pese a que se lo utiliza ampliamente en los laboratorios de análisis clínicos, el test Elisa es incapaz de diferenciar a los anticuerpos producidos contra infecciones provocadas por esas enfermedades, lo cual deriva en la necesidad de realizar exámenes complementarios.

Se estima que el mercado mundial de biosensores estará valuado en 27 mil millones de dólares en 2022

Este biodispositivo se desarrolló en colaboración con diversas instituciones de investigación científica de Brasil. Está compuesto por circuitos eléctricos impresos en pequeños electrodos, sobre los cuales se deposita un conjunto de proteínas antigénicas aisladas del protozoario Leishmania amazonensis, una de las especies que causan la forma tegumentaria de la leishmaniasis en Brasil, o el Trypanosoma cruzi, causante de la enfermedad de Chagas, que afecta a alrededor de 8 millones de personas en el mundo anualmente, según la OMS. “Si el anticuerpo de interés estuviera presente en la muestra analizada, la ligazón entre éste y la proteína antigénica produce una alteración en la respuesta eléctrica del electrodo, que acusa la presencia del patógeno”, explica Zucolotto. El biodispositivo del IFSC, actualmente en etapa de prototipo, tarda alrededor de 20 minutos para exhibir la respuesta. Su patente se depositó en el Instituto Nacional de Propiedad Industrial (INPI).

Análisis genéticos
Recientemente, el equipo de São Carlos también empezó a trabajar en la concepción de genosensores destinados a reconocer secuencias específicas del material genético de virus y mutaciones asociadas a tumores. En 2016, Zucolotto, la física Laís Ribovski y el químico Bruno Campos Janegitz, del Centro de Ciencias Agrarias de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar), crearon un sensor capaz de identificar la mutación 185delAG, asociada a los tumores de mamas y ovarios. En el experimento que realizaron, inmovilizaron un fragmento de la secuencia contigua a la región del ADN en donde ocurre esa mutación en la superficie del dispositivo, de manera tal que cuando la secuencia correspondiente quedase dispuesta en el electrodo, la conexión desencadenase una alteración en la respuesta eléctrica del aparato, indicando la presencia de la secuencia blanco ligada a la mutación. Los resultados de las pruebas con el dispositivo se describieron en un artículo publicado en Microchemical Journal. Por ahora se han utilizado únicamente secuencias sintetizadas en laboratorio.

Léo Ramos Chaves Uno de los electrodos desarrollados por el grupo del Instituto de Física de São CarlosLéo Ramos Chaves

La misma técnica se utilizó para diferenciar infecciones causadas por los virus del Zika y del dengue. Tal como ocurre en las infecciones por dengue, el virus del Zika también secreta cantidades significativas de NS1 en el torrente sanguíneo durante los primeros días tras la infección, lo cual puede comprometer el análisis que realizan los biosensores desarrollados para el dengue hasta ahora. Mediante el empleo de herramientas de bioinformática, los científicos detectaron regiones específicas del material genético de cada virus para inmovilizarlas en la superficie de un electrodo. La conexión entre la secuencia que está en el dispositivo y la de la muestra produce una alteración en la señal eléctrica que indica la presencia del material genético de los virus. El sensor mostró buenos resultados en test preliminares con secuencias sintetizadas en laboratorio.

Transferencia de tecnología
Loa biosensores constituyen una tecnología en ascenso en el mundo. De acuerdo con datos de Markets and Markets, una empresa de sondeos y consultoría estadounidense del área de tecnología de la información, el mercado de biosensores fue valuado en alrededor de 16 mil millones de dólares en 2016. Se estima que llegará a los 27 mil millones de dólares en 2022. Los biosensores médicos se hacen con el 66% de ese mercado. Las principales empresas que invierten en la concepción de esos aparatos son las estadounidenses Abbott Laboratories y Johnson & Johnson, y la alemana Bayer Healthcare. La demanda de estos dispositivos crecerá fuertemente en los próximos años, fundamentalmente debido a la creciente prevalencia de enfermedades tales como diabetes y a la necesidad de contar con dispositivos que monitoreen los niveles de glucosa en la sangre. Según la Federación Internacional de Diabetes, esta enfermedad acometerá a 552 millones de personas en el mundo en 2030.

En Brasil aún hay un largo camino por recorrer hasta que estos aparatos se produzcan a gran escala

Estados Unidos es el principal mercado de biosensores, producto de una cultura de rápida adopción de productos tecnológicamente avanzados por parte de médicos y científicos. En Brasil aún hay un largo camino por recorrer hasta que se los produzca y se los comercialice a gran escala. El desarrollo de estos aparatos se lleva a cabo mayoritariamente en universidades y centros públicos de investigación. Tras su concepción en laboratorio, deben pasar por pruebas de seguridad y eficacia; luego hay que patentarlos, y especialmente atraer el interés de empresas dispuestas a hacer que lleguen al mercado consumidor.

Se estima que el costo de producción de los electrodos que se emplean en biosensores a escala de laboratorio es de alrededor de 2 dólares. “La idea es desarrollar aparatos completos cuyo valor por unidad no supere los 100 dólares”, comenta Zucolotto. De todos modos, la mayoría de los dispositivos desarrollados en Brasil se encuentran en fase de prototipo, sin aprobación de la Agencia Nacional de Vigilancia Sanitaria (Anvisa). Hay también un largo camino hasta que esos dispositivos sean capaces de dar cuenta del gran volumen de muestras que todos los días se analizan en los laboratorios. “Más allá del potencial de aplicación de esta tecnología en grandes laboratorios, es necesario que los biosensores sean capaces de analizar, identificar y cuantificar elementos de interés clínico en grandes cantidades de muestras”, dice la médica Jeane Tsutsui, directora ejecutiva de Fleury Medicina e Saúde. “Para que los biosensores puedan llegar a los consultorios médicos y agentes de salud se necesitan inversiones en proyectos conjuntos entre empresas y universidades para su validación clínica”, concluye.

Proyectos
1. Desarrollo de sensores y biosensores electroquímicos para diversos fines analíticos (nº 15/19099-2); Modalidad Ayuda a la Investigación – Regular; Investigador responsable Bruno Campos Janegitz (UFSCAR); Inversión R$ 169.539,83
2. Estudio de la interacción entre materiales nanoestructurados y sistemas biológicos: Aplicaciones al estudio de nanotoxicidad y desarrollo de sensores para diagnóstico (nº 08/08639-2); Modalidad Ayuda a la Investigación – Regular; Investigador responsable Valtencir Zucolotto (IFSC-USP); Inversión R$ 368.230,90

Artículos científicos
RIBOVSKI, L. A. label-free electrochemical ADN sensor to identify breast cancer susceptibility. Microchemical Journal. v. 133, p. 37-42. jul. 2017.
FIGUEIREDO, A. et al. Electrical detection of dengue biomarker using egg yolk immunoglobulin las the biological recognition element. Scientific Reports. ene. 2015.
PIRICH, C. L. et al. Piezoelectric immunochip coated with thin films of bacterial cellulose nanocrystals for dengue detection. Biosensors & Bioelectronics. v. 15, n. 92, p. 47-53. jun. 2015.