Un sensor que puede detectar cánceres o tumores difíciles de diagnosticar fue desarrollado por un equipo de científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés), quienes esperan producir pruebas de diagnóstico de fácil manejo para clínicas e incluso para el hogar.
En todo el mundo alrededor de un millón 800 mil personas pierden la vida cada año por esta enfermedad, muchas de las cuales no son diagnosticadas de manera oportuna, señalan los científicos encabezados por Shuguang Zhang, del Media Lab del MIT.
El dispositivo desarrollado es una especie de “nariz electrónica” que puede detectar una molécula inmune llamada CXCL12, indicativa de la presencia de cáncer, con solo decenas de partes por cada mil millones, lo que lo convierte en el sistema más sensible hecho hasta ahora.
De acuerdo con la investigación publicada en la revista Science Advances, el nuevo instrumento se inspira en los sistemas sensoriales naturales de la membrana que rodea las células. En ellas hay miles de proteínas receptoras que detectan moléculas en el medio ambiente, como la CXCL12.
“Construimos un sistema biomimético con receptores importantes del proteoma, rediseñándolos e instalándose en dispositivos bioelectrónicos para generar señales eléctricas que pueden analizarse desde un aspecto biofísico”, señalan los científicos en el artículo (leer en DOI: 10.1126/sciadv.adf1402).
En todo el mundo alrededor de un millón 800 mil personas pierden la vida cada año por esta enfermedad, muchas de las cuales no son diagnosticadas de manera oportuna.
La mayoría de los sensores de diagnóstico actuales se basan en anticuerpos o aptámeros (hebras cortas de las moléculas de ADN o ARN) que pueden capturar una molécula objetivo particular de un fluido como la sangre. Sin embargo, ambos enfoques tienen limitaciones ya que los fluidos corporales pueden descomponer fácilmente los aptámeros, y es difícil fabricar anticuerpos para que cada lote sea idéntico.
Asimismo, estos métodos tradicionales de última generación no son tan específicos ni precisos en entornos complejos como el organismo humano, por lo que esta “nariz electrónica” proporciona nuevas rutas en el diagnóstico de enfermedades con solo unas pequeñas muestras de saliva de los pacientes.
“Cuanto antes se detecte el cáncer, mejor será el tratamiento, por lo que su diagnóstico temprano es importante y queremos profundizar en ello”, dice Shuguang Zhang. “Nuestra esperanza es desarrollar un dispositivo simple que permita aplicar las pruebas en el hogar, con alta especificidad y sensibilidad”.
Los científicos usaron proteínas de la membrana de las células y las modificaron para que pudieran sobrevivir fuera de ellas en dos capas de proteínas cristalizadas que fueron colocadas encima de una serie de nanotransistores de grafeno.
Cuando estas proteínas detectan la molécula objetivo de una muestra, los “nanotransistores naturales” transmiten la información en tiempo real a una computadora o teléfono inteligente.
Este sensor puede adaptarse para analizar cualquier fluido corporal, como sangre, orina, lágrimas o saliva, señalan los investigadores, y podría detectar muchos objetivos diferentes simultáneamente, según el tipo de proteína receptora utilizada, es decir, se puede orientar al cáncer, pero también hacia el diagnóstico de otras enfermedades.
“Cuanto antes se detecte el cáncer, mejor será el tratamiento, por lo que su diagnóstico temprano es importante y queremos profundizar en ello”: Shuguang Zhang, del mit.
Nariz de grafeno
Los investigadores construyeron su nariz electrónica con 200 sensores naturales con proteínas receptoras que las células usan para monitorear y responder a su entorno.
Transformaron esas proteínas hidrofóbicas en proteínas solubles en agua que pueden mantenerse estables de forma cristalizada y formar matrices monomoleculares coherentes en una superficie. Incluso estas proteínas se pueden fusionar con otras, como anticuerpos o enzimas.
Las proteínas que utilizaron los investigadores se encuentran en la capa más externa de la membrana celular de algunas bacterias y arqueas llamada “capa S” con la que crearon una lámina inmovilizada muy densa de una proteína receptora llamada CXCR4.
Este receptor se une a la molécula CXCL12, que desempeña un papel importante en varias enfermedades humanas como el cáncer, pero también detecta una glicoproteína de la cubierta del Virus de la Inmunodeficiencia Humana (VIH), que es la responsable de la entrada del virus en las células humanas.
“Usamos estos sistemas de capa S para permitir que todas estas moléculas funcionales se adhieran a una superficie en una matriz monomolecular, en una distribución y orientación definidas”, señala Uwe Sleytr, coautor de la investigación. “Es como un tablero de ajedrez en el que puedes organizar diferentes piezas de una manera muy precisa”.
Conectaron la capa S a un chip con matrices de transistores basadas en grafeno –que tiene el grosor de un solo átomo–, lo que lo hace ideal para el desarrollo de detectores altamente sensibles.
La tecnología de detección llamada RESENSA, por las siglas en inglés de Matriz de Nanodetección Eléctrica de la Capa S del Receptor, se basa en el chip de grafeno que está recubierto con mil millones de receptores por cada centímetro cuadrado y que transduce, es decir, transforma la señal biológica del receptor en una señal eléctrica, que luego envía a una computadora o smartphone.
Los investigadores identificaron los receptores críticos de sistemas biológicos y los anclaron en una interfaz bioelectrónica, lo que permite recolectar todas las señales biológicas y luego transducirlas en salidas eléctricas que pueden ser analizadas e interpretadas por algoritmos de aprendizaje automático.
Cuando una molécula objetivo se une a una proteína receptora la carga de la molécula cambia las propiedades eléctricas de la lámina de átomos de carbono del grafeno, de manera que puede cuantificarse fácilmente y puede transmitirse la señal.
El chip de matriz de grafeno detecta moléculas con una eficiencia del 100% lo que garantiza mediciones confiables, incluso en el caso de moléculas raras como las que podrían revelar la presencia de un tumor en etapa temprana o la aparición de la enfermedad de Alzheimer.
Los científicos usaron proteínas de la membrana de las células y las modificaron para que pudieran sobrevivir fuera de ellas en dos capas de proteínas cristalizadas que fueron colocadas encima de una serie de nanotransistores de grafeno.
“Durante décadas se habían tratado de usar receptores celulares para la detección, pero su uso generalizado representaba un desafío porque se necesitan detergentes para mantener estables las proteínas”, dice Zhang. “La novedad de nuestro enfoque es que podemos hacerlas solubles en agua y podemos producirlas en grandes cantidades a bajo costo”.
Con este método, los científicos pueden modificar prácticamente cualquier proteína receptora existente de forma natural, para usarse como sensores en un chip y detectar prácticamente cualquier molécula que las células puedan identificar.
“Lo que pretendemos hacer es desarrollar la tecnología básica para habilitar un futuro dispositivo portátil que podamos integrar con teléfonos celulares y computadoras, para que se puedan hacer las prueba en casa y saber rápidamente si se debe acudir al médico”, comenta Rui Qing, de la Universidad Jiao Tong de Shanghai y coautor de la investigación.
La arquitectura de estos dispositivos es de fácil manejo, similar a los detectores que miden la glucosa en sangre; también se pueden reutilizar e, incuso, reajustar con el cambio de receptores celulares para dirigirlos hacia el diagnóstico de cualquier enfermedad.
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