Desde el descubrimiento de la penicilina en 1928, las bacterias han desarrollado numerosas formas de evadir o ignorar por completo los efectos de los antibióticos. Afortunadamente, los proveedores de atención médica tienen un arsenal de antibióticos de uso poco frecuente que aún son efectivos contra cepas de bacterias que de otro modo serían resistentes.
Los investigadores de los Laboratorios Nacionales Sandia han combinado trabajos anteriores sobre microagujas indoloras con sensores a nanoescala para crear un parche sensor portátil capaz de monitorear continuamente los niveles de uno de estos antibióticos.
El antibiótico específico que están rastreando es la vancomicina, que se utiliza como última línea de defensa para tratar infecciones bacterianas graves, dijo Alex Downs, miembro de Jill Hruby y líder del proyecto. La monitorización continua es crucial para la vancomicina porque hay un rango estrecho dentro del cual mata eficazmente las bacterias sin dañar al paciente, añadió.
"Esta es una gran aplicación porque requiere un control estricto", afirmó Philip Miller, ingeniero biomédico de Sandia que asesoró en el proyecto. "En un entorno clínico, lo que sucedería es que un médico controlaría al paciente cada hora y solicitaría una medición de vancomicina en sangre en un solo momento. Alguien vendría a extraer sangre, la enviaría a la clínica y obtendría una respuesta. Nuestro sistema es una forma de solucionar ese retraso."
Los investigadores compartieron cómo fabricar estos sensores y los resultados de sus pruebas en un artículo publicado recientemente en la revista Biosensors and Bioelectronics. .
El sistema sensor comienza con una microaguja disponible comercialmente, comúnmente utilizada en plumas de insulina. Adam Bolotsky, científico de materiales de Sandia, toma un alambre de oro recubierto de polímero de aproximadamente ¼ del grosor de un cabello humano y corta un extremo en ángulo. Luego inserta con cuidado el cable dorado en la aguja, lo suelda a un conector y se asegura de que esté aislado eléctricamente. Los investigadores también construyen electrodos de referencia y contraelectrodos de manera similar, utilizando alambres recubiertos de plata y platino dentro de microagujas comerciales, respectivamente.
Luego, estas agujas se insertan en un parche de plástico, del tamaño de un dólar de plata, diseñado por los tecnólogos de Sandia Bryan Weaver y Haley Bennett. Este parche incluye espacio para nueve microagujas, pero se puede ajustar a cualquier número que se desee, dijo Downs. En la superficie diagonal expuesta de cada alambre de oro, los investigadores colocan químicamente los sensores a nanoescala.
Los sensores, llamados aptámeros, son hebras de ADN con un conector de superficie en un extremo y una sustancia química eléctricamente sensible en el otro. Downs explicó que cuando el ADN se une al antibiótico vancomicina, cambia de forma, acercando la sustancia química eléctricamente sensible a la superficie del oro. Este movimiento aumenta la corriente detectada por el sistema de sensores. Cuando la concentración de vancomicina disminuye, parte del ADN vuelve a su forma original, lo que también se detecta eléctricamente.
"Esta reversibilidad es útil para cosas como mediciones en tiempo real", dijo Downs. "Si desea ver la concentración de una determinada sustancia química presente en la piel o en la sangre en un momento dado, entonces es realmente importante poder medir los aumentos y las disminuciones".
Downs trabajó con el sensor de aptámero durante su investigación doctoral y trajo el conocimiento a Sandia, donde trabajó para combinarlo con la experiencia de Sandia con microagujas que pueden proporcionar a los médicos información similar a una extracción de sangre con menos dolor.
"Combiné mis conocimientos sobre detección basada en aptámeros y monitoreo en tiempo real con la tecnología que Ronen Polsky y Phil Miller habían desarrollado en Sandia", dijo Downs. "Al integrar estas dos herramientas, miniaturizamos sustancialmente el sistema de detección y verificamos que funcionaba en una microaguja".
Después de construir los sensores de microagujas, el equipo probó si un sensor de microagujas podría detectar vancomicina en una solución salina que imitara las condiciones dentro del cuerpo, dijo Downs. Una vez que tuvieron éxito, probaron todo el sistema, completo con electrodos de referencia y contraelectrodos, en una solución mucho más compleja:sangre de vaca sin diluir. El sistema aún pudo detectar vancomicina.
Luego, para probar si las microagujas y los aptámeros funcionarían después de ser insertados en la piel, los investigadores insertaron el parche en piel de cerdo varias veces, monitorearon la señal electrónica del parche mientras estaba en la piel y probaron su capacidad para detectar vancomicina. .
"Era muy incierto si esto iba a mantener una señal cuando lo colocaras en la piel", dijo Downs. "Cada microaguja es su propio electrodo sensor individual. Si los sensores no forman un buen contacto eléctrico, entonces esto realmente no funcionaría. Esa era la mayor incertidumbre y algo que nunca habíamos probado en Sandia".
Desde que se probó con éxito el sistema de parche sensor, el siguiente paso es asociarse con otro grupo de investigación para probarlo en humanos u otros animales, dijeron Downs y Miller.
"El próximo gran obstáculo técnico es demostrar que funciona en el cuerpo durante un período de tiempo prolongado", afirmó Miller.
De cara al futuro, se podría utilizar un sistema similar con diferentes aptámeros de ADN para controlar las citoquinas, pequeñas proteínas utilizadas para transmitir mensajes dentro del cuerpo, así como otras proteínas o moléculas más pequeñas que cambian significativamente durante las infecciones. Estos sistemas podrían ayudar a los médicos a diagnosticar más rápidamente qué enfermedad tiene un paciente o incluso ayudar con la clasificación durante situaciones de emergencia.
Downs también ha estado estudiando qué cosas en la sangre y la piel podrían "obstruir" los sensores y reducir su precisión con el tiempo. Ella, junto con la pasante de verano Amelia Staats, descubrió que el fibrinógeno, una proteína involucrada en la coagulación de la sangre, es un culpable clave en la interferencia de la señal. Los investigadores planean publicar estos hallazgos en un próximo artículo.
"Este sistema podría usarse realmente en cualquier lugar donde se produzcan grandes cambios químicos en el cuerpo, donde se desee medir esos cambios a lo largo del tiempo para comprender mejor lo que sucede en el cuerpo", afirmó Downs.
Más información: Alex M. Downs et al, Detección basada en aptámeros electroquímicos con microagujas:mediciones de moléculas pequeñas en tiempo real utilizando microagujas de acero inoxidable disponibles comercialmente y integradas en sensores, biosensores y bioelectrónica (2023). DOI:10.1016/j.bios.2023.115408
Información de la revista: Biosensores y Bioelectrónica
Proporcionado por Laboratorios Nacionales Sandia
