Un equipo de científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés) desarrolló un sensor que puede detectar cánceres o tumores difíciles de diagnosticar. Alrededor de un millón 800 mil personas pierden la vida cada año por esta enfermedad en todo el mundo, muchas de las cuales no son diagnosticadas de manera oportuna.
Con esta tecnología, los científicos encabezados por Shuguang Zhang, del Media Lab del MIT, esperan construir pruebas de diagnóstico de fácil manejo en clínicas e incluso en el hogar.
Se trata de 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.
El nuevo sensor 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, incluida la CXCL12.
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.
“Nuestra esperanza es desarrollar un dispositivo simple que permita realizar pruebas en el hogar, con alta especificidad y sensibilidad”, dice Shuguang Zhang. “Cuanto antes se detecte el cáncer, mejor será el tratamiento, por lo que el diagnóstico temprano del cáncer es un área importante en la que queremos profundizar”.
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 otras enfermedades.
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.
“Construmos 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.
“El enfoque puede ser especialmente ventajoso en aplicaciones de nariz electrónica donde los métodos de última generación carecen inherentemente de especificidad en entornos complejos, lo que también proporciona nuevas rutas para los intereses reemergentes en el diagnóstico de enfermedades por el aliento exhalado, las lágrimas y el sudor de los pacientes”.
Nariz electrónica 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 forman matrices monomoleculares coherentes en una superficie. Estas proteínas se pueden fusionar con otras, como anticuerpos o enzimas.
Las proteínas que utilizaron 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 llamada CXCL12, que desempeña un papel importante en varias enfermedades humanas, incluido el cáncer, y 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 muy bien definidas”, dice Zhang y Sleytr, coautor de la investigación. “Es como un tablero de ajedrez en el que puedes organizar diferentes piezas de una manera muy precisa”.
La tecnología de detección llamada RESENSA por la 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 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.
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.
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.
El chip de matriz de grafeno detecta señales 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.
“Se ha tratado de usar receptores para la detección durante décadas, pero es un desafío para su uso generalizado porque los receptores necesitan detergente para mantenerlos estables”, dice Zhang. “La novedad de nuestro enfoque es que podemos hacerlos solubles en agua y podemos producirlos en grandes cantidades a bajo costo”.
Los científicos pueden modificar prácticamente cualquier proteína receptora existente de forma natural para usarse en una serie de sensores de un solo chip para detectar prácticamente cualquier molécula que las células puedan detectar.
“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 pueda hacer una prueba en casa y saber rápidamente si debe ir al médico”, comenta Rui Qing, de la Universidad Jiao Tong de Shanghai y coautor de la investigación.
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