La capacidad de detectar enfermedades en una etapa temprana o incluso predecir su aparición sería de enorme beneficio tanto para los médicos como para los pacientes. Un equipo de investigación dirigido por la Dra. Larysa Baraban en el Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) desarrolla dispositivos y sistemas biosensores miniaturizados e inteligentes que utilizan nanomateriales para determinar biomoléculas y células, así como reacciones o procesos bioquímicos como marcadores de enfermedades.
La publicación actual del equipo en Biosensors and Bioelectronics describe el desarrollo de un sistema de prueba portátil, del tamaño de la palma de la mano, que puede realizar simultáneamente hasta 32 análisis de una muestra.
Existen varias posibilidades y mecanismos para detectar patógenos en fluidos corporales. Una opción que Baraban investiga en el Instituto de Investigación Radiofarmacéutica del Cáncer HZDR es la detección mediante transistores de efecto de campo (FET) del ámbito de la electrónica.
El principio de funcionamiento es sencillo:una corriente eléctrica definida fluye de A a B. Esta corriente puede regularse mediante el potencial eléctrico en la superficie de una compuerta, que funciona como una válvula continua y precisa.
Las biomoléculas relevantes para las enfermedades se unen a la superficie de la puerta y modifican así el potencial eléctrico y, con ello, también la corriente. Si no hay un cambio significativo en la corriente, no se han unido biomoléculas a la superficie del sensor. Por otro lado, un cambio en la corriente significa que se pueden detectar moléculas relacionadas con enfermedades en la superficie del sensor.
Estos biosensores pueden diseñarse para detectar específicamente diferentes biomoléculas. Diferentes patógenos provocan diferentes potenciales eléctricos y, por tanto, diferentes corrientes. Las células cancerosas provocan corrientes diferentes a las que produce, por ejemplo, el virus de la gripe.
La principal desventaja de los biosensores electrónicos tradicionales basados en FET es que las superficies de prueba no son reutilizables y todo el transistor debe desecharse después de cada muestreo. Como los transistores contienen costosos materiales semiconductores, este proceso es caro y perjudicial para el medio ambiente.
Por esa razón, Baraban y su Departamento de Nanomicrosistemas para Ciencias de la Vida fueron un paso más allá e intentaron medir los cambios de potencial no directamente en la superficie del transistor, sino en un electrodo separado que está conectado a la puerta del transistor. "Esto nos brinda la oportunidad de utilizar el transistor varias veces. Separamos la puerta y nos referimos a ella como 'puerta extendida', es decir, una extensión del sistema de prueba".
Pero eso no es todo. El equipo pensó aún más en el futuro y asumió otro desafío. "Por supuesto, nos gustaría que este sistema pudiera realizar varios análisis al mismo tiempo". Los investigadores lograron desarrollar puertas ampliadas con 32 plataformas de prueba. Baraban explica:"Esto significa que se puede analizar una muestra simultáneamente en cada una de las almohadillas para detectar un patógeno diferente".
Los científicos demostraron por primera vez el principio de funcionamiento utilizando interleucina-6 (IL-6), una molécula responsable de la comunicación entre las células inmunitarias. "Ya sea un simple resfriado o un cáncer, la concentración de IL-6 cambia. Diferentes enfermedades, así como diferentes etapas de una enfermedad, producen diferentes cuadros clínicos. Por eso la IL-6 es muy adecuada como marcador."
Para hacer el método aún más sensible, el equipo de Baraban también utilizó nanoestructuras. Las nanopartículas concentran o localizan la carga para amplificar la señal de voltaje.
"La sensibilidad de las pruebas es considerablemente mayor que cuando trabajamos sin nanopartículas". Como ya se encuentran disponibles en el mercado kits de nanopartículas ya preparados para la investigación, este método es fácil de utilizar. Los científicos del HZDR trabajan actualmente con nanopartículas de oro. En el futuro también les gustaría estudiar otras nanopartículas.
Como resultado de la investigación actual se ha creado un sistema de prueba funcional y manejable, compuesto por un transistor y treinta y dos almohadillas de prueba, con el que se pueden detectar diferentes patógenos en un período de tiempo muy corto.
En el futuro, el sistema de pruebas descrito podría utilizarse, por ejemplo, para controlar el progreso de inmunoterapias en pacientes con cáncer. Otra posibilidad sería predecir la gravedad y el curso de una enfermedad viral como la gripe o el COVID-19 desde su inicio.
En comparación con las tecnologías existentes, el nuevo sistema es más rentable y más rápido. Por esta razón, Baraban y su equipo ahora esperan despertar el interés del sector comercial.
Más información: Željko Janićijević et al, Métodos estándar de oro en clínica biosensor de transistor de efecto de campo de puerta extendida multiplexado con milifluidos con nanoantenas de oro como amplificadores de señal, Biosensores y bioelectrónica (2023). DOI:10.1016/j.bios.2023.115701
Información de la revista: Biosensores y Bioelectrónica
Proporcionado por la Asociación Helmholtz de Centros de Investigación Alemanes
