Biosensors

Un dels grans objectius de la nanomedicina és treballar en la detecció primerenca de malalties mitjançant interaccions a nanoescala. Detectar una malaltia el més aviat possible és vital per poder començar a treballar en les teràpies i la regeneració, és per això que m’he centrat en el diagnòstic amb una recerca exhaustiva sobre els biosensors, especialment els que empren nanotecnologia.

QUÈ SÓN ELS BIOSENSORS?

La Dr. Maria Luisa Santillan, defineix els biosensors com un sistema que permet detectar alguna propietat biològica i convertir-la el quelcom que es pugui mesurar. Així doncs, són dispositius analítics que integren un element biològic (capaç de reconèixer específicament la mostra a detectar) amb un transductor fisicoquímic que produeix un senyal que després comunica a un detector. Les tècniques d'anàlisi de laboratori solen ser laborioses, requereixen molt de temps i d’un personal especialitzat. Davant d'elles, els biosensors ofereixen la possibilitat de fer mesures continues i amb una alta sensibilitat.

Com diu la Dr. Lechuga, les aplicacions dels nanobiosensors són gairebé infinites, des del diagnòstic clínic, medioambiental o el control alimentari. Aplicant la nanotecnologia als biosensors podem obtenir una tecnologia molt competitiva, amb un alt nivell de sensibilitat, fiabilitat i amb un temps de resposta molt curt.

Alta sensibilitat per als analits d'interès incloent concentracions.
Alta selectivitat per a que interactui únicament amb l’analit d’interés, mitjançant elements de reconeixement específic.
Confiabilitat dels sistemes de transducció, dissenyats per a que no siguin alterats o ho siguin mínimament.
La multidisciplinarietat d’àmbits i camps de treball.
Llarga durabilitat.
Baix cost de producció, operació i manteniment.
Temps d’anàlisis; capacitat de mesurar en temps real o períodes molt curts, permetent una actuació ràpida i un control dels paràmetres.

CARACTERÍSTIQUES DELS BIOSENSORS

1. El receptor és un element biològic amb una gran capacitat selectiva per interactuar amb la substància a detectar i produint una transformació que pot provocar un intercanvi d’electrons, emetre llum o canviar de color. Depenent de l’aplicació el receptor pot ser una proteïna, un anticòs, ADN o ARN, una cèl·lula, o un micro organisme sencer.

2. El transductor és el component que “reporta” quan passa la interacció entre el receptor i la substància a detectar.

3. El lector és la part del dispositiu que es veu amb la informació generada durant la interacció química que ha estat transmesa pel transductor. Aquesta pot ser una marca de color com les proves d'embaràs o de covid-19, un nombre com els sensors de glucosa o de pH, o fins i tot gràfiques digitals, com els espectres d'absorció/emissió.

COM FUNCIONA UN BIOSENSOR?

CLASSIFICACIÓ DELS BIOSENSORS

Classifiquem els biosensors segons el sistema de transducció utilitzat per interpretar els senyals produits en la interacció entre l'element de reconeixement i l'analit.

Òptics

Els biosensors òptics estan basats en les variacions de radiació electromagnètica (REM) com a conseqüència de la interacció fisicoquímica entre l'analit i l'element biològic. Els principals tipus són la fibra òptica, la ressonància plasmònica superficial (SPR), l’absorbància i la luminescència.

Piezoelèctrics o acústics

Els biosensors piezoelèctrics es basen en el principi de les vibracions sonores, l'acústica. Converteix les vibracions mecàniques de les molècules de detecció en senyals elèctrics proporcionals.

Termomètrics

El seu funcionament es basa en la detecció de la calor produïda per les reaccions enzimàtiques exotèrmiques, i la quantitat de concentració d'anàlit.

Electroquímics

Transformen el senyal produït per la interacció de l'analit amb el sistema de reconeixement en un senyal elèctric. Podent ser conductimetrics, potenciomètrics, amperomètrics i impedimètrics, els quals detecten canvis en la conductivitat, el potencial, l’intensitat de corrent o en la impedància, respectivament. Són els més coneguts i utilitzats per detectar la glucosa.

NANOTECNOLOGIA APLICADA ALS BIOSENSORS

APORTACIONS DE LA NANOTECNOLOGIA AL DESENVOLUPAMENT DE NOUS BIOSENSORS

L’aparició de nous nanomaterials ens ha permès crear nous biosensors mitjançant les seves propietats òptiques, elèctriques, mecàniques i magnètiques, les senyals i connexions han estat més ràpides i eficaces. La nanotecnologia ha permès millorar la detecció in-vitro amb una major sensibilitat que els dispositius convencionals i les plataformes multifuncionals permetent la detecció de varis analits a la vegada. El món nano també ha facilitat el diagnòstic molecular in-vivo, en el que s’han pogut fer deteccions amb biosensors introduïts al cos.

DISPOSITIUS PER AL NANODIAGNÒSTIC

El nanodiagnòstic consisteix en el desenvolupament de sistemes d'anàlisi i imatge per detectar una malaltia o un mal funcionament a l’escala nanomètrica, tant in vivo com in vitro i mitjançant nanodispositius i sistemes de contrast. Dins del nanodiagnòstic, dues de les principals àrees de treball són els nanobiosensors i els nanosistemes d'imatge.

Nanobiosensors

Els nanobiosensors són dispositius capaços de detectar substàncies químiques i biològiques en temps real, sense necessitat de marcadors fluorescents i amb alta sensibilitat i selectivitat. Aquests nanodispositius de mida reduïda i fàcil portabilitat, possibiliten la seva utilització en qualsevol lloc. A més, requereixen de molt poca quantitat de mostra i poden ser fàcilment introduïts a l'interior del cos humà.

Biosensors nanofotònics

Els biosensors nanofotònics mostren un alt nivell de sensibilitat en la detecció de proteïnes i ADN. Els bioelements a escala nanomètrica tenen una mida comparable a les longituds d'ona de la llum visible, generant interaccions inusuals entre la llum i la matèria.

Biosensors nanoplasmònics

Els biosensors nanoplasmònics són molt utilitzats en medicina gràcies a la seva alta precisió. La detecció nanoplasmònica és una tècnica òptica d'alta resolució espacial basada en la ressonància plasmònica de superfície (SPR).

Biosensors nanomecànics

Un biosensor nanomecànic és un dispositiu que detecta les interaccions biomoleculars que produeixen canvis en propietats mecàniques, com ara la flexió o la ressonància.

Lab-on-a-xip

Els lab-on-a-xip ofereixen realitzar anàlisis bioquímiques, síntesis químiques o seqüenciació d’ADN de mostres múltiples en un mateix aparell de dimensions nanomètriques. Aquests nanosensors sorgeixen com una eina de diagnòstic prometedora gràcies a la miniaturització de les operacions bioquímiques redueix els costos, paral·lelitza les operacions i augmenta la velocitat, la sensibilitat i la precisió.

Bioxips

Els bioxips són la nanotecnologia més avançada al camp biomèdic ajudant a identificar els analits biològics requerits. Aquests dispositius similars als microxips dels ordinadors que realitzen milions d'operacions matemàtiques en segons, els bioxips són capaços de realitzar o analitzar milions de reaccions biològiques, en pocs segons.

Diagnòstic per imatge molecular

Nanosistemes d’imatge

Els nanosistemes d’imatge estan basats en l'ús de nanopartícules, generalment semiconductores, metàl·liques o magnètiques, com a agents de contrast per a marcatge in vivo. Els punts quàntics són un dels primers sistemes de nanopartícules que s'han proposat per al marcatge cel·lular i la identificació de zones danyades o tumors perquès en mides nanomètriques emeten llum de diferents longituds d’ona i colors sent extremadamente útils com a marcadors biològics.

Imatges moleculars amb nanopartícules

L’imatge molecular (IM) és la visualització i mesura dels processos biològics a escala subcel·lular i de forma no invasiva, cobreix tot tipus de modalitats biomèdiques com la fluorescència, els ultrasons, el PET, el SPECT, MRI i CT.

APLICACIONS DELS BIOSENSORS BASATS EN NANOPARTÍCULES D'OR

Podem trobar nanosensors aplicats en la detecció de moltes malalties com la diabetis una malaltia metabòlica que cursa amb hiperglucèmia amb dispositius que detecten la unió glucosa-receptor comporta un canvi en la conductivitat del grafè. En malalties neurodegeneratives que deterioren la funció cognitiva i de les emocions, la Prof. Lechuga explica a l’entrevista que no hi ha biosensors per al seu diagnòstic perquè no es coneix amb exactitud el seu causant, tot i així s’estan realitzant investigacions. En malalties cardiovasculars que afecten el cor i els vasos sanguinis i són la principal causa de mortalitat al món, es pot per exemple detectar l’activitat proteasa extracel·lular i quantificar-se en orina com a mètode “in vivo”. En el càncer, per exemple hi ha els nanopilars de quars en la detecció nanoplasmònica i el magneto-nanosensors per a la detecció de biomarcadors de càncer de pròstata.

Nanosensors basats en nanopartícules d’or

El director del grup de nanomedicina i imatge molecular (NanoMedMol) de l'Institut de Química Mèdica insisteix en la gran varietat de possibilitats que la nanomedicina pot oferir en el camp de la imatge molecular i l’importància de les nanopartícules d’or el nanomaterial més usat.

Ressonància plasmònica superficial

La ressonància plasmònica superficial (SPR) és un mètode de detecció en l'anàlisi clínic d'interaccions moleculars que es produeix quan un fotó de llum colpeja una superfície metàl·lica, per exemple, de nanopartícules d’or. Amb un cert angle d'incidència, una part de l'energia lluminosa s'acobla a través del recobriment metàl·lic amb els electrons de la capa superficial del metall, que posteriorment es mouen a causa de l'excitació. Aquests moviments d'electrons (plasmó) es propaguen paral·lelament a la superfície metàl·lica i mitjançant un prisma de vidre d'índex de reflexió elevat. L'angle d'incidència que desencadena SPR està relacionat amb l'índex de refracció del material i fins i tot un petit canvi en l'índex de refracció farà que no s'observi SPR. D’aquesta manera, la detecció s'aconsegueix mesurant la variació, la intensitat o els canvis d’angle en la llum reflectida. Actualment ja s’han desenvolupat biosensors SPR que gràcies a les propietats òptiques dels AuNP tenen abundants aplicacions en diverses branques interdisciplinàries de la ciència.

Proves ràpides per a la detecció de la Covid-19 amb nanopartícules d’or

Amb l’esclat de la Covid-19 es va desenvolupar una prova de diagnòstic que detecta la presència del virus SARS-CoV-2 en 10 minuts, utilitzant un assaig senzill que conté nanopartícules d'or plasmòniques que al detectar el virus canvia de color.

Test de diagnòstic d’embaraç

Des dels primers dies d’embaràs, el cos de la dona produeix en excés l’hormona HcG. En la prova d'embaràs First Response®, les nanopartícules d’or es dissenyen per atrapar aquesta hormona i gràcies a les seves propietats òptiques funcionen com a indicador òptic.

Biosensor per la detecció de glucosa en la diabetis

En aquests biosensors, les propietats de les nanopartícules d'or combinades amb les del grafè fan que es mesuri amb precisió la concentració ultrabaixa de glucosa.

Biosensors per al diagnòstic de càncer

Les nanopartícules d’or amb diferents formes, mides i combinades amb altres elements es poden utilitzar de diverses maneres per a diagnosticar càncer. S’estan realitzan moltes investigacions i possibilitats per a la seva detecció.

D’una banda, els investigadors de la Universitat de Duke estan utilitzant nanoestrelles d'or en un sensor per detectar molècules d'ARN com indicadors primerencs del càncer. D’altra banda, altres equips estan desenvolupant una nanopartícula que un cop unida a un tumor de càncer, allibera "biomarcadors". Cada nanopartícula porta diversos pèptids, i per tant, es produirà una alta concentració d'aquests biomarcadors.

El biosensor basat en nanopartícules d’or per al diagnòstic de càncer més utilitzat i al mercat és l’Antigen carcinoembrionari (CEA).Un dels marcadors de tumors clínics observats habitualment per a la detecció és el CEA, s'ha aplicat per al diagnòstic de tumors inclosos els de mama, còlon, pulmó, pàncrees, cervical i tumors d'ovari. L'antígen carcinoembrionari (CEA) és una proteïna que es troba en alguns teixits del feto quan s'està desenvolupant. Quan neixem, la concentració de CEA en sang és molt baixa. En els adults, es troba normalment en petites quantitats a la sang, però pot augmentar amb alguns tipus de càncer. Aquesta prova mesura la quantitat de CEA en sang per a l'avaluació de les persones amb càncer. L'ús de noves nanopartícules d'or biofuncionalitzades (bio-AuNPs) permeten que un biosensor de ressonància plasmònica superficial (SPR) detecti nivells baixos d'antigen carcinoembrionari (CEA) al plasma sanguini humà.

FUTUR DELS BIOSENSORS BASATS AMB NANOPARTÍCULES

El futur de la nanotecnologia

La nanotecnologia és una ciència emergent que està tenint una evolució ràpida i espectacular. Es preveu que contribueixi significativament al creixement econòmic i la creació d'ocupació a la UE durant les properes dècades. Segons els científics de la European Union Observatory for Nanomaterials (EUON), la nanotecnologia tindrà quatre generacions de desenvolupament diferents i ens trobem a la primera, o potser a la segona generació de nanomaterials.

El futur dels biosensors per al càncer

Segons Cornelia Palivan, professora de la universitat de Basilea, el futur dels biosensors serà aconseguir una medicina més segura, amb menys efectes secundaris, més personalitzable i més assequible a tothom. Els biosensors amb nanopartícules com a agents de contrast poden ser molt útils per identificar tumors a zones específiques del cos. A més, les nanotecnologies donen un impuls significatiu a la medicina personalitzada i precisa, fonamental en el tractament del càncer.

Altres possibilitats per al futur dels nanosensors

Els nanosensors són capaços de detectar canvis de temperatura, pressió, composició química i altres propietats físiques amb una precisió sense precedents sent ideals com a eina portàtil. Dispositius portàtils equipats amb aquests sensors podrien monitoritzar de manera contínua els signes vitals i els marcadors bioquímics d’un usuari, alertant-lo sobre possibles problemes de salut abans que es converteixin en seriosos. Els nanosensors també podrien aplanar el camí cap a experiències més interactives, per exemple en dispositius de realitat virtual (RV) o realitat augmentada (RA) per identificar els moviments i les respostes fisiològiques d'un pacient. Per tot això, els nanosensors també plantegen importants qüestions sobre la privadesa i la seguretat de les dades, calent doncs un maneig responsable de dades.

BIOSENSORS