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Medicina

Laboratorio de papel

Celulosa y cera componen un nuevo modelo de análisis clínicos

EDUARDO CESARUn pequeño cuadrado de papel del tamaño de una estampilla postal, que funciona como un minilaboratorio de análisis clínicos, se empleará este mismo año en Santa Luzia do Itanhy, en el estado brasileño de Sergipe, para evaluar la condición básica de salud de niños y adolescentes de esta localidad de poco más de 10 mil habitantes. Estos sistemas de análisis, denominados dispositivos microfluídicos en papel, o µPAD (del inglés microfluidic paper-based analytical device), fueron desarrollados por el grupo de investigación encabezado por el profesor George Whitesides, de la Universidad Harvard, Estados Unidos, con la participación del profesor Emanuel Carrilho, del Instituto de Química de São Carlos de la Universidad de São Paulo (USP) y miembro del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Bioanalítica (INCT Bioanalítica). Los exámenes se realizan con un pequeño volumen de líquido, una gota de sangre o de orina, que corre por microcanales grabados en un papel poroso mediante el empleo de una impresora comercial de chorro de cera.

Luego de la impresión, se calienta la hoja a150°Cdurante dos minutos, lo que permite que la cera se derrita y forme los microcanales, que son las pistas por donde circularán los líquidos analizados. En la punta de estos caminos impresos en papel se ponen reactivos, enzimas y anticuerpos que cambian de color, dependiendo de la sustancia testeada. La cera funciona como una barrera hidrofóbica, es decir, no deja que los líquidos, tales como orina y sangre, se esparzan aleatoriamente por el papel, que es impermeabilizado con un polímero. El análisis es simple y sumamente práctico. Basta con poner el líquido que será testeado en la entrada del dispositivo impreso en papel que inmediatamente el mismo se propaga por los microcanales, y en contacto con el reactivo, cambia de color. El resultado tarda a lo sumo 30 minutos, lo suficiente como para que se produzca la reacción química y el cambio de coloración. El tiempo es mucho menor que con el uso del tradicional test Elisa, el primer análisis de sangre destinado a verificar si los pacientes están infectados con el virus VIH, por ejemplo, que tarda entre dos y tres horas para mostrar el resultado. “El análisis hecho en el papel es solamente visual”, dice Carrilho.

Diagnósticos múltiples
Actualmente se encuentran listos para su uso los dispositivos destinados a verificar el nivel de glucosa, que es el parámetro para la evaluación de la diabetes, y de las proteínas totales en la orina, fundamental para saber cómo se encuentra la función renal o si hay una infección en el tracto urinario. Pero el minilaboratorio de papel podrá también usarse para diagnosticar la malaria,  la tuberculosis, el Sida y otras enfermedades. “Muchas de las reacciones químicas que se hacen en laboratorio pueden transportarse al papel”, dice Carrilho, quien durante dos años estuvo en el laboratorio del profesor Whitesides con una beca Nuevas Fronteras de la FAPESP, para desarrollar sistemas bioanalíticos, y también firmó cuatro artículos científicos publicados entre 2008 y 2010 en la revista Analytical Chemistry, periódico quincenal de la Sociedad Americana de Química, que abordan el desarrollo y la aplicación de los dispositivos microfluídicos en papel, y uno en Angewandte Chemie, uno de los periódicos más prestigiosos del área de química.

Desde entonces ha habido avances en la construcción de los dispositivos, y el grupo liderado por Carrilho ha contribuido a ello. Actualmente planean, entre otros objetivos, trabajar con un test destinado a evaluar la presencia de gluten en alimentos o bebidas. La información sobre la presencia o ausencia de gluten en las etiquetas de los productos es fundamental para aquéllos que padecen la enfermedad celíaca, una intolerancia permanente a esa proteína que está presente en el trigo, la avena, el centeno, la cebada y la malte, y en otros cereales.

EDUARDO CESAREl dispositivo de papel también está siendo trabajado para la detección de metales pesados en el agua, un indicativo de contaminación, y en pruebas de calidad del agua y de alimentos. Desde que regresó a Brasil, Carrilho se ha dedicado a desarrollar nuevos sistemas de análisis para adaptarlos a la realidad brasileña, simplificando algunas etapas del proceso de fabricación, lo que ha redundado en un pedido de patente para el sistema microfluídico. Hasta ahora no se ha concretado ninguna asociación para la transferencia de tecnología, pero ha habido varias conversaciones con inversores, y algunos trabajos de desarrollo se llevan a cabo con WAMA Diagnósticos, una empresa de análisis clínicos rápidos de la ciudad paulista de São Carlos.

El primer ensayo bioanalítico creado por el grupo de Whitesides en Harvard fue el análisis de orina destinado a evaluar la glucosa y proteínas. Desde un canal central, similar a  un  tronco de árbol estilizado, salían tres ramificaciones, las zonas de test. Los ensayos se basaron en reacciones químicas y enzimáticas conocidas para análisis de orina. El resultado demostró que ensayos independientes pueden ejecutarse simultáneamente en las diferentes zonas de test de un mismo sistema, sin que haya contaminación cruzada de reactivos. Es decir, varios análisis clínicos puede hacerse al mismo tiempo, con resultados parecidos a los obtenidos en un  laboratorio tradicional, sin necesidad de contar con una gran cantidad de muestras, tubos de ensayo y heladeras, y con la espera del resultado de al menos un día.

El diseño del dispositivo puede variar tanto en el número de ramificaciones que salen del tronco central como en el cierre de las puntas donde se ponen los reactivos. El grupo de Carrilho trabaja actualmente con un sistema con cinco ramificaciones, dos para la repetición de cada test, y una central, para la cuantificación de creatinina, un  parámetro de normalización.

Además que es un examen muy rápido, otra ventaja de ese microsistema de análisis radica en el bajo costo de los materiales utilizados. En el caso de los reactivos, que otorgan el color en los test y son caros, las cantidades utilizadas son mínimas, del orden de 0,1 microlitro (la millonésima parte de un litro) de reactivo por examen. “Con una sola hoja de papel es posible hacer 120 dispositivos, con un  costo de impresión de 5 centavos de dólar”, dice Carrilho. La fabricación también es bastante sencilla y no se requieren para ello aparatos complejos.

Actualmente el grupo del investigador se encuentra preparando mil dispositivos para su utilización en los exámenes que se harán en Santa Luzia do Itanhy. Todos los hogares serán visitados por agentes del Programa de Salud  de la Familia (PSF), del gobierno federal. La iniciativa forma parte de un proyecto piloto que está implementándose en la ciudad a través del Instituto de Investigaciones en Tecnología de la Innovación (IPTI), un  centro multidisciplinario de estudios asociado al PSF. En una etapa posterior, los dispositivos se harán en el propio centro de investigaciones del IPTI, y se transferirá la tecnología a la comunidad.

Análisis accesibles
La idea es llevar el minilaboratorio de análisis a otras localidades brasileñas. En caso de dudas al respecto del resultado de los exámenes, una simple foto sacada con un teléfono celular podrá enviársele a un  especialista, quien al cabo de analizar la imagen dará su diagnóstico. La respuesta podrá llegar como mensaje de texto en el celular de origen, con la prescripción del tratamiento adecuado. “La telemedicina es una nueva manera de hacer aún más barato el diagnóstico”, dice Carrilho. Así será más fácil tener acceso a la tecnología en los lugares más distantes. Fue precisamente la idea de llevar los exámenes a los países más pobres, de manera sencilla y a bajo costo, lo que redundó en el desarrollo del primer dispositivo microfluídico en papel, como parte de una línea de investigación del profesor Whitesides, llamada Soluciones Simples, o Simple Solutions. El objetivo es llevar a lugares remotos de África o de otros países en desarrollo, que no poseen ni médicos ni clínicas, una herramienta barata de diagnóstico. La investigación contó con financiamiento de la Fundación Melinda y Bill Gates, que donó 10 millones de dólares durante cinco años.

Las innumerables posibilidades de esta innovadora plataforma de bionálisis siguen siendo sometidas a pruebas a cargo de los numerosos grupos de investigación implicados en este proyecto. Entre ellas se encuentran los estudios de nuevos  soportes de papel, los métodos de fabricación de los dispositivos y el desarrollo de nuevos componentes tales como electrodos, válvulas, filtros, mezcladores y revestimientos, que podrán expandir la cantidad de sustancias testeadas, y por consiguiente, los exámenes realizados. Los investigadores se encuentran también abocados a desarrollar nuevos métodos destinados a la estabilización de los reactivos almacenados en los dispositivos, para que puedan ser distribuidos sin necesidad de refrigeración.

El proyecto
Desarrollo de herrajes microfluídicos que permitan el desarrollo y la fabricación de sistemas bioanalíticos para química, biología, bioquímica y medicina (nº 2006/02007-9); Modalidad Beca en el Exterior – Nuevas  Fronteras; Supervisor George Whitesides – Universidad Harvard; Becario Emanuel Carrilho – USP; Inversión R$ 81.929,01 (FAPESP)

Artículos científicos
CHENG, C.-M. et al. Paper-based Elisa. Angewandte Chemie International Edition. v. 49, p. 4.771-74. 2010.
MARTINEZ, A.W. et al. Diagnostics for the developing world: Microfluidic paper-based analytical devices. Analytical Chemistry. v. 82, p. 3-10. 2010.
CARRILHO, E. et al. Understanding wax printing: A simple micropatterning process for paper-based microfluidics. Analytical Chemistry. v. 81, p. 7.091-95. 2009.

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