Los biosensores miden la concentración de moléculas en muestras biológicas para aplicaciones biomédicas, ambiental, y aplicaciones industriales, y, idealmente, deben proporcionar tiempo real, Datos continuos. Sin embargo, la monitorización continua de moléculas pequeñas a bajas concentraciones es problemática. Investigadores de la Universidad Tecnológica de Eindhoven han desarrollado un enfoque de detección innovador basado en semejanzas moleculares. Esto podría resultar fundamental en futuros biosensores para monitorear la salud y la enfermedad.

El campo de los biosensores tiene una historia rica e inventiva. Muchos consideran que el "padre de los biosensores" es Leland C. Clark Jr., quien diseñó un sensor para medir el oxígeno en sangre a principios de la década de 1960.

Sin embargo, como ocurre en las obras pioneras, las cosas no empezaron como esperaba. Los diseños de sus sensores iniciales fallaron porque los componentes sanguíneos afectaron el electrodo sensor.

La solución de Clark fue separar el electrodo y la sangre con una envoltura de celofán de un paquete de cigarrillos, que resultó ser la solución necesaria para medir de forma fiable el oxígeno en sangre. ¡Un excelente ejemplo de creatividad e innovación en el laboratorio!

Avance rápido hasta 2020, e investigadores de los Departamentos de Ingeniería Biomédica y Física Aplicada de TU / e están demostrando una inventiva similar cuando se trata de detectar moléculas de interés de baja masa.

En un artículo publicado en Sensores ACS , Junhong Yan, Menno Prins, y sus colegas muestran un nuevo enfoque que puede medir continuamente la concentración de moléculas de interés de baja masa en muestras biológicas basadas en la biosensibilidad por movilidad de partículas (BPM).

"Nuestro enfoque es una plataforma para que los biosensores futuros controlen continuamente los marcadores asociados con afecciones de salud personales, como insuficiencia renal o hepática, "dice Yan.

Biosensores 101

Los biosensores existentes suelen dar un único resultado de medición a partir de una única muestra biológica. La muestra puede ser sangre, sudor, orina, o saliva, y el resultado puede ser el nivel de una proteína, una hormona, una droga, o un virus en la muestra.

Sin embargo, Sería mejor si los sensores brindan un flujo continuo de datos en lugar de solo un único punto de datos, porque eso le permitiría a una persona monitorear cómo se desarrolla una condición médica con el tiempo.

El único biosensor continuo que está actualmente disponible comercialmente es el monitor continuo de glucosa (CGM) que mide continuamente la glucosa en el líquido intersticial de la piel. que es muy útil para personas con diabetes. Desafortunadamente, otras moléculas distintas de la glucosa aún no se pueden medir de forma continua. ¡Esto presenta una oportunidad significativa para la innovación de sensores!

Cada biosensor consta de tres partes principales:un componente molecular que involucra un biorreceptor que puede unirse a la molécula de interés, un principio de transducción que convierte el reconocimiento molecular en una señal detectable, y un sistema de detección que registra la señal y presenta la respuesta como un número, grafico, sonido, o indicación luminosa para que el usuario pueda interpretarla fácilmente.

"En este trabajo nos hemos centrado en la primera parte:diseñar un principio molecular para medir continuamente moléculas de interés con baja masa molecular y baja concentración, "dice Prins.

Parecidos moleculares

El sensor diseñado por Yan, Prins, y el equipo adoptó el uso de imitaciones moleculares o versiones falsas de las moléculas de interés.

Entonces, ¿cómo ayudan estas moléculas parecidas a la detección de las moléculas reales? Menno Prins explica más:"La superficie del sensor está cubierta con anticuerpos que pueden unirse a las moléculas de interés. Cuando no hay moléculas en el líquido de prueba, las moléculas similares son libres de unirse a los anticuerpos. Sin embargo, cuando hay moléculas de interés en el fluido, estos pueden unirse a los anticuerpos. Como resultado, los parecidos se liberan de su unión a los anticuerpos ".

Las moléculas similares no se mueven libremente alrededor del sensor como lo hacen las moléculas de interés en un fluido de prueba. Estas moléculas similares están unidas a una micropartícula, que está atado a la superficie del sensor usando ADN para que se pueda detectar el cambio entre los estados ligado y no ligado.

La unión es la clave

El funcionamiento de la plataforma de detección es bastante sencillo, y brillante hay que decirlo. Todos los eventos de unión molecular están diseñados para ser reversibles. Esto incluye la unión entre los anticuerpos y los similares, y la unión entre los anticuerpos y las moléculas de interés en solución.

Se producen eventos repetidos de unión y desvinculación que involucran moléculas similares o moléculas de interés en un fluido, y estos eventos se pueden medir fácilmente usando microscopía óptica registrando el estado de la micropartícula.

Cuando hay una alta concentración de moléculas de interés en una solución, luego, la mayoría de los anticuerpos de la superficie del sensor se bloquean. Esto reduce la posibilidad de que las micropartículas cambien a un estado unido. Por otra parte, cuando la concentración es baja, entonces se producen muchos cambios entre los estados ligado y no ligado debido a las ligaduras reversibles de los parecidos moleculares.

"La detección de eventos de unión y desvinculación de una gran cantidad de partículas causados ​​por interacciones moleculares específicas es clave para la tecnología, permitiéndonos medir pequeños cambios de concentración molecular en el fluido, "dice Yan.

Pasar pruebas y próximos pasos

Para probar su nuevo enfoque, los autores diseñaron sensores para monitorear las concentraciones de fragmentos cortos de ADN monocatenario y de creatinina. Las concentraciones se controlaron durante horas, con una resolución de tiempo de unos minutos.

La creatinina es una molécula de metabolito con una pequeña masa de solo 113 Dalton que es un marcador de la función renal. El marcador podría medirse en el rango médicamente relevante entre 10 µM y 10 mM. El ADN monocatenario se pudo medir entre 10 nM y 1 µM.

"Estos resultados son muy prometedores y demuestran que las moléculas pequeñas se pueden monitorear continuamente en una amplia gama de concentraciones. Nuestro próximo objetivo es demostrar la tecnología para una amplia variedad de moléculas y fluidos biológicos". para habilitar futuras aplicaciones en el cuidado de la salud, y en procesos industriales y monitoreo ambiental ”dice Prins.

Este innovador enfoque de detección puede muy bien resolver problemas con la detección de biomarcadores de baja masa molecular para nuestras futuras necesidades de biosensores.

Si bien el enfoque es un poco más sofisticado que el uso de una envoltura de celofán en un electrodo, es muy probable que el fallecido Leland C. Clark Jr. se hubiera impresionado.