Sensores impresos en 3D para el diagnóstico de enfermedades
Por Jesús E. Contreras Naranjo
Artículo de Divulgación Científica
El diagnóstico oportuno de cualquier enfermedad transmisible como COVID-19, SIDA, hepatitis, influenza, sarampión; o no transmisibles como la diabetes, insuficiencia cardiaca, hipertensión, cáncer, Alzheimer o Parkinson, entre otras, es crucial para realizar intervenciones médicas exitosas.
Se necesitan con urgencia métodos altamente sensibles y específicos a distintos biomarcadores (biomoléculas que pueden ser evaluadas cualitativa o cuantitativamente en el organismo como indicadores de salud o estadio de enfermedad) para facilitar la atención médica oportuna en beneficio directo a la calidad de vida de las personas.
La sensibilidad y especificidad
Son términos relevantes cuando se habla del diagnóstico oportuno de las enfermedades transmisibles y no transmisibles. Para entender mejor las diferencias entre ambos términos, supongamos que hay doscientas personas, cien de ellas con el virus SARS-CoV-2 (COVID-19) y las otras cien con influenza H1N1 (no COVID-19). Una prueba para diagnosticar COVID-19 con 100% de sensibilidad permitirá detectar la enfermedad en todas las cien personas con SARS-CoV-2, mientras que una prueba con 100% de especificidad para SARS-CoV-2 dará negativa para las cien personas con influenza. En la práctica, lo normal es que estas pruebas no sean perfectas, pero son aceptables si alcanzan más del 90% de sensibilidad y especificidad.
Hoy en día se desarrollan pequeños dispositivos tamaño de bolsillo, llamados inmunosensores, altamente sensibles, específicos, económicos y con tiempos de respuesta rápidos. Éstos pueden realizar la cuantificación de marcadores proteicos (biomoléculas) mediante detección electroquímica y reemplazarán a los grandes y pesados equipos tradicionales de laboratorio utilizados para realizar pruebas diagnósticas y que no pueden ser trasladados al punto de cuidado o sitio de atención. Además, los equipos tradicionales de diagnóstico requieren de personal altamente especializado para su uso, son costosos, y el tiempo para brindar un diagnóstico es largo.
El desarrollo e innovación biotecnológica en inmunosensores brinda la oportunidad para realizar pruebas rápidas de diagnóstico oportuno en los sitios de atención. Por ejemplo, el glucómetro para medir la glucosa en sangre o las pruebas rápidas de cuarta generación para el diagnóstico de VIH (inmunoensayo ligado a enzimas o ELISA por sus siglas en inglés). En este sentido, los inmunosensores electroquímicos microfluídicos fabricados con impresión 3D pueden utilizarse para la detección y tratamiento oportuno de enfermedades.
Los inmunosensores electroquímicos microfluídicos fabricados con impresión 3D pueden ayudar al diagnóstico oportuno de enfermedades.
Los inmunosensores en 3D son la alternativa
Los inmunosensores electroquímicos microfluídicos impresos en 3D pueden definirse como pequeños dispositivos que emplean propiedades de reconocimiento específico de una biomolécula, por ejemplo, un anticuerpo, hacia otra que es de interés y que causa la enfermedad, llamada antígeno. Brevemente, los anticuerpos son biomoléculas producidas por nuestro sistema de defensa para combatir enfermedades transmisibles causadas por agentes extraños o antígenos (virus o bacterias que invaden a nuestro cuerpo) y que son altamente específicos contra ese agente, por lo que de forma aislada pueden ser empleados para la detección del agente causante de la enfermedad.
Actualmente, el Grupo de Investigación de Enfoque Estratégico en Bioprocesos de la Escuela de Ingeniería y Ciencias del Tecnológico de Monterrey, campus Monterrey, trabaja en el desarrollo de sistemas que combinan el poder analítico de las técnicas electroquímicas y la alta selectividad, y especificidad de los anticuerpos en inmunoensayos fabricados mediante distintas técnicas de impresión 3D para la detección oportuna de biomarcadores en enfermedades como Parkinson y cáncer de próstata, además de contar con publicaciones científicas arbitradas sobre este campo de desarrollo.
Lograr un diagnóstico oportuno
Para entender la importancia de los inmunosensores electroquímicos microfluídicos impresos en 3D en el diagnóstico oportuno de las enfermedades, es necesario hablar sobre los diversos campos que los componen:
- La transducción electroquímica
- La microfluídica
- La impresión 3D
En los inmunosensores con transducción electroquímica, los elementos de reconocimiento son anticuerpos, los cuales están inmovilizados sobre una superficie conductora o electrodo, detectan al antígeno y se unen a éste; mientras que el electrodo funciona como un transductor electroquímico o puente para convertir la unión del antígeno con el anticuerpo en una corriente eléctrica. Después de esto, la corriente eléctrica es convertida en un número que es igual a la cantidad de antígeno presente en la muestra (sangre, orina, saliva, etc.).
En relación con la microfluídica, esta es una tecnología que facilita la manipulación de volúmenes muy pequeños de líquidos (muestra) y se realiza con mayor frecuencia en una superficie plana, como el vidrio, la cual lleva canales cerrados de dimensiones como longitud, ancho y profundidad, menores al grosor de un cabello humano.
Por su parte, la impresión 3D disminuye los costos de fabricación aditiva y abre el camino para el diseño y producción en masa de inmunosensores más baratos, de mayor rendimiento de detección y altamente accesibles. Por ejemplo, en este año, investigadores desarrollaron un sensor de presión portátil impreso en 3D, altamente sensible para la medición de indicadores de salud como el pulso y la presión sanguínea, mostrando gran potencial para el seguimiento del estado de salud en tiempo real y para el diagnóstico temprano de enfermedades causadas por variaciones en la presión, como las úlceras.
Inmunosensores electroquímicos microfluídicos fabricados con impresión 3D para el diagnóstico oportuno de enfermedades.
A través del desarrollo de investigación orientada a la rápida y oportuna detección de algunas enfermedades, el Tecnológico de Monterrey refrenda y extiende su compromiso social a nivel nacional e internacional al desarrollar tecnología que impacta en la vida de las comunidades alrededor del mundo, aportando conocimiento e innovación tecnológica a los problemas de la salud global.
Para saber más:
Lee los artículos científicos y ve los siguientes videos relacionados con este tema.
- https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30669262/
- https://www.mdpi.com/1424-8220/19/7/1706
- https://www.youtube.com/watch?v=qHpugd9yln8
- https://www.youtube.com/watch?v=iNU0P4EC_pI
Autor:
Jesús Eduardo Contreras Naranjo. Maestro en Electroquímica egresado del Centro de Investigación y Desarrollo en Tecnología Electroquímica (CIDETEQ). Actualmente cursa el Doctorado en Biotecnología en la Escuela de Ingeniería y Ciencias del Tecnológico de Monterrey, Campus Monterrey. Contacto: a00825447@itesm.mx. ORCID: 0000-0001-5217-9741.
Asesor:
Oscar Alejandro Aguilar-Jiménez. Doctor en Ciencias de la Ingeniería con especialidad en Biotecnología por el Tecnológico de Monterrey. Profesor-investigador y Director nacional del programa de posgrado en Biotecnología. Miembro del Sistema Nacional de Investigadores (Nivel II) y de la Academia Mexicana de Ciencias. Contacto: alex.aguilar@tec.mx. ORCID: 0000-0002-5352-9579.
Asesor Editorial:
Jesús Eduardo Elizondo Ochoa. Doctor en Biotecnología (Tecnológico de Monterrey), Doctor en Odontología, mención Doctor Internacional (UIC-Barcelona). Profesor-investigador de la Escuela de Ingeniería y Ciencias y de la Escuela de Medicina y Ciencias de la Salud. Miembro del Sistema Nacional de Investigadores (CONACyT). Contacto: je.elizondo@tec.mx