Eduardo Cesar
Dispositivo electrónico ideado en el Instituto de Física de São Carlos, en la USP: lo recubre una capa de anticuerpos que reconocen el antígeno relacionado con el cáncer de páncreasEduardo CesarSegún estimaciones del Instituto Nacional del Cáncer (Inca), en 2016, Brasil registrará 600 mil nuevos casos de cáncer. Como el diagnóstico precoz constituye una de las principales armas para combatir la enfermedad, dos equipos de investigación de São Paulo concibieron un nuevo dispositivo destinado a la detección de tumores en su fase inicial. Un grupo del Instituto de Física de São Carlos en la Universidad de São Paulo (IFSC-USP), en colaboración con el Hospital del Cáncer de Barretos, en el interior paulista, creó un biosensor para el diagnóstico del cáncer de páncreas. En la ciudad de Araraquara, investigadores del Centro de Desarrollo de Materiales Funcionales (CDMF), uno de los Centros de Investigación, Innovación y Difusión (Cepid) financiados por la FAPESP, desarrollaron otro biosensor capaz de detectar tumores de ovarios y hepatitis C, otra enfermedad con gran incidencia en el país. Los dos dispositivos se encuentran en fase de prototipo y aún no han sido aprobados por la Agencia Nacional de Vigilancia Sanitaria (Anvisa) para su empleo en hospitales, laboratorios de análisis clínicos y consultorios médicos.
Los biosensores son dispositivos que utilizan en su estructura un elemento biológico de reconocimiento, tal como puede serlo una enzima, un anticuerpo o un antígeno, para medir de manera selectiva determinadas sustancias relacionadas con el cáncer y otras enfermedades presentes en muestras de sangre. La idea de los dos grupos que realizan investigación con biosensores y trabajan en forma independiente, consiste en la creación, también, de aparatos portátiles, similares a los glucómetros que actualmente se emplean para medir los índices de glucosa en la sangre, que realicen la lectura del resultado del test e indiquen si el paciente es o no portador de cáncer (observe la infografía).
Uno de los métodos más conocidos para el diagnóstico del cáncer, que ya se ha implementado a gran escala, es el test Elisa. Se trata de un análisis de sangre que se basa también en la interacción específica entre antígenos y anticuerpos, y donde la detección se efectúa por medio de reactivos y reacciones enzimáticas. En los biosensores no se necesitan enzimas intermediarias, sino tan sólo la interacción entre las moléculas del antígeno y del anticuerpo. El test Elisa demora entre una hora y media a dos horas, mientras que con el biosensor, ese tiempo puede reducirse, siendo sólo de 30 minutos. Otras ventajas son el uso de sangre en el biosensor, unas cuatro veces menor en comparación con el test Elisa, y la sensibilidad, que es mil veces mayor en este nuevo tipo de examen.
“Nuestro trabajo se propone como meta la creación de un método más sencillo y económico”, explica el físico Andrey Soares, doctorando del Grupo de Polímeros Bernhard Gross del IFSC y responsable de la creación del biodispositivo para la detección del cáncer de páncreas. “En la literatura científica, existen relatos de diferentes biosensores para esa enfermedad que utilizan técnicas electroquímicas u ópticas. El nuestro se basa en mediciones eléctricas”. El estudio se llevó a cabo bajo la supervisión de Osvaldo Novais de Oliveira Junior, docente del IFSC, con la participación de investigadores del Hospital del Cáncer de Barretos. En el análisis de los datos recabados por el biosensor se emplearon métodos computacionales para la visualización, desarrollados por los profesores Fernando Vieira Paulovich y Maria Cristina Ferreira de Oliveira, del Instituto de Ciencias Matemáticas y de la Computación (ICMC) de la USP de São Carlos.
El dispositivo electrónico ideado en la USP está conformado por dos finas películas: una que contiene quitosano (un polisacárido extraído del caparazón de los camarones) y concanavalina A (una proteína extraída de las semillas de frijol de chancho ‒Canavalia ensiformis‒ también denominado frijol machete), y otra con una capa activa de anticuerpos capaces de reconocer el antígeno CA19-9, presente en el organismo humano. La concentración de ese antígeno se incrementa en las personas afectadas por cáncer de páncreas. Esas dos películas a escala nanométrica reposan sobre un electrodo (un material conductor de la electricidad) impreso en una cinta, similar a las que se utilizan para los test rápidos del índice glucémico. “Al disponer la muestra de sangre del paciente sobre el biosensor, se produce una interacción con la capa activa de anticuerpos, lo cual genera un pulso eléctrico que nos permite saber si existe o no una cantidad excesiva de CA19-9 en el material recogido”, dice Soares.
Uno de los principales desafíos para la producción de un biosensor, explica Novais, consiste en preservar la función de las biomoléculas que sirven como elementos activos en el dispositivo. Para eso, se emplean matrices elaboradas con materiales que ayudan a la preservación de la actividad de la biomolécula. “En nuestro biosensor, la función de la matriz la desempeñan el quitosano y la concanavalina A, dos materiales de bajo costo y que pueden obtenerse de fuentes naturales. La concanavalina A interactúa con el quitosano formando una fina película estable en la superficie del electrodo”, dice el físico Novais, electo en enero de este año como presidente de la Sociedad Brasileña de Investigación en Materiales (SBPMat). “La estabilidad resulta importante para la inmovilización mecánica de la capa activa, permitiendo la construcción de dispositivos de alta sensibilidad y selectividad”. La investigación cuenta con el patrocinio financiero de la FAPESP y la cooperación del Hospital del Cáncer de Barretos. “Hasta ahora, nuestros ensayos se efectuaron con células cancerosas producidas en laboratorio. El paso siguiente será la realización de test con muestras de sangre de pacientes reales”, comenta Andrey Soares. Según él, todavía no se ha definido el número de muestras de pacientes.
En el CDMF, que funciona en el Instituto de Química de la Universidade Estadual Paulista (IQ-Unesp), en el campus de Araraquara, la investigación para el desarrollo del biosensor para la detección del cáncer de ovario y la hepatitis C, contó con la coordinación de la profesora Maria Aparecida Zaghete Bertochi, y la colaboración del maestrando João Paulo de Campos da Costa y de las doctorandas Gisane Gasparotto y Glenda Biasotto. También colaboraron con ese trabajo el profesor Paulo Inácio da Costa, de la Facultad de Ciencias Farmacéuticas de la Unesp, y la investigadora Talita Mazon, del Centro de Tecnología de la Información Renato Archer (CTI).
El biosensor posee una arquitectura similar a la del dispositivo de la USP: una capa activa con biomoléculas, una matriz estabilizadora ‒en este caso, formada por cistamina y glutaraldehído‒ y un electrodo de trabajo, encargado de la conversión de la señal generada por la interacción química entre las biomoléculas y los marcadores de las enfermedades blanco en una señal eléctrica. “Nuestro biosensor es un dispositivo analítico que convierte la respuesta de una reacción inmunoquímica, bioquímica o biológica en una señal medible. Es un dispositivo descartable y su método de medición electroquímica logra que el diagnóstico tenga un costo reducido si se lo compara con los sistemas actuales”, explica el ingeniero electricista João Paulo. Hoy en día, el biosensor entrega el resultado en una hora y los científicos trabajan en modificaciones para reducir ese tiempo hasta llegar a 10 minutos. Los test actuales para la detección de la hepatitis son el denominado Elisa y otros, que sirven para confirmar un resultado positivo, y que se basan en proteínas del virus. En total, demoran más de dos horas.
Por ahora, el biosensor es capaz de diagnosticar el cáncer de ovario y la hepatitis C en forma individual, es decir, una enfermedad por vez. El objetivo es perfeccionarlo para la detección conjunta de otras enfermedades. En el caso del cáncer de ovario, el dispositivo permite la detección de una glucoproteína con alto peso molecular, denominada antígeno CA 125, que está asociada a la aparición del cáncer. Según estudios, el 90% de las mujeres que presentaron una elevada concentración de esa glucoproteína en la sangre desarrollaron la enfermedad. “Se adhirió un anticuerpo monoclonal a la superficie del electrodo de trabajo, con el objetivo de ligarse, en presencia del antígeno CA 125, específicamente a esa glucoproteína promoviendo una interferencia en la corriente eléctrica del dispositivo”, explica João Paulo.
Para el diagnóstico de las infecciones virales de la hepatitis C, el mismo sensor posibilita la detección de anticuerpos específicos para una proteína presente en el virus. “Si la proteína que se busca estuviera presente en la sangre, la unión entre ella y el anticuerpo incubado en el electrodo produce una señal que altera el potencial eléctrico del electrodo. Un software interpreta esa señal para realizar el diagnóstico”, dice el investigador de la Unesp. El Ministerio de Salud estima que entre 1,4 y 1,7 millones de personas podrían haber tenido contacto con el virus causante de la hepatitis C en el país, y parte de ese conjunto desarrollará la infección crónica.
De acuerdo con los científicos de la Unesp, pronto se remitirá una solicitud de patente del biodispositivo al Instituto Nacional de la Propiedad Intelectual (INPI). El proyecto para el desarrollo de un equipamiento portátil para la lectura del biosensor ya se encuentra en curso, en colaboración con el área de Procesamiento de Señales e Instrumentación del Programa de Posgrado en Ingeniería Eléctrica de la USP, en el campus de São Carlos. Cuando todo esté listo, los investigadores de la Unesp se proponen crear una empresa para producir y comercializar el dispositivo.
Según el profesor Emanuel Carrilho, del Instituto de Química de la USP de São Carlos y miembro del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Bioanalítica (INCT Bioanalítica), los biosensores para la detección del cáncer constituyen una línea de investigación que tuvo un fuerte desarrollo en los últimos años. “El mayor desafío actual consiste en la identificación de las moléculas que puedan indicar que el cáncer se encuentra en su fase inicial”, dice Carrilho. “Una vez que dispongamos, concretamente, de esos biomarcadores predictivos, los biosensores se transformarán en herramientas importantes para un diagnóstico precoz de la enfermedad”.
Proyectos
1. CDMF – Centro de Desarrollo de Materiales Funcionales (n° 2013/07296-2); Modalidad Centros de Investigación, Innovación y Difusión (Cepid); Investigador responsable Elson Longo (Unesp); Inversión R$ 20.965.210,37 (durante cinco años)
2. Películas nanoestructuradas de materiales de interés biológico (nº 2013/ 14262-7); Modalidad Proyecto Temático; Investigador responsable Osvaldo Novais de Oliveira Junior (USP); Inversión R$ 2.539.907,03
3. Desarrollo de nanoestructuras y filmes de ZnO para su aplicación en sensores y nanogeneradores (nº 2011/19561-7); Modalidad Beca en el País – Regular – Doctorado; Becaria Glenda Biasotto (IQ-Unesp); Investigadora responsable Maria Aparecida Zaghete Bertochi (IQ-Unesp); Inversión R$ 31.239,12
4. Desarrollo de nanoestructuras y filmes de ZnO para la extracción de energía: nanogeneradores y piezotrónicos (nº 2012/11979-5); Modalidad Apoyo a la Investigación – Regular; Investigadora responsable Maria Aparecida Zaghete Bertochi (Unesp); Inversión R$ 296.813,67
Artículo científico
SOARES, A.C. et al. Controlled film architectures to detect a biomarker for pancreatic cancer using impedance spectroscopy. ACS Applied Materials & Interfaces. v. 7, n. 46, p. 25930-7. nov. 2015.
