Aplicaciones de Biosensores

Resumen

En el presente ensayo vamos a tratar sobre los biosensores su estructura, características y funciones ya que son muy utilizados en el campo de la bioingeniería para ayudar en el área de la medicina. Además trataremos dos aplicaciones muy importantes para la salud con el empleo de biosensores en vista de que son altamente empleados para llevar el control del nivel de la glucosa en la sangres de un paciente diabético y que es dependiente de la insulina. Así como también se puede utilizar un biosensor para determinar el cáncer de esófago en un paciente sin la necesidad de realizar una biopsia como se procedía en tiempos antiguos tomando muy en cuenta que gracias a los biosensores podemos aumentar la calidad de vida y reducir el tiempo de recuperación de un potencial paciente con cáncer de esófago.

Palabras clave—Biosensor, Biopsia, Cinética de la interacción, Electrodo, Enzima, Glucosa.

Introducción

La Bioingeniería es una de las disciplinas más jóvenes de la ingeniería en la que los principios y herramientas de la misma, además la ciencia y la tecnología se aplican a los problemas presentados por la biología y la medicina.  La bioingeniería comprende una sólida base en ingeniería conjugada con los conocimientos fundamentales de medicina y biología, complementados con materias específicas de aplicación de tecnología como son: la electrónica, informática, robótica, óptica, etc., para satisfacer las demandas de la medicina y la biología. [1] 

La Bioingeniería hoy, en nuestro país, está creciendo y estableciéndose como uno de los polos de mayor desarrollo, tanto en el mercado médico-tecnológico como en el área de la investigación.  Entre los más importantes campos de la Bioingeniería a nivel mundial se pueden mencionar: Biomateriales; Ingeniería Biomédica; Ingeniería Hospitalaria; Biomecánica; Bioóptica; Biosensores; Ingeniería Clínica y de Rehabilitación; Imágenes Médicas; Informática Médica; Órganos Artificiales; Procesamiento de Señales Biológicas; Telemedicina; y todo lo que concierne a la Tecnología Médica. [1]

El término biosensores aparece como parte fundamental de nuestra investigación puesto que su aplicación y estudio colabora a los avances de la bioingeniería. El biosensor comenzó a utilizarse a partir de 1977 cuando se desarrolló el primer dispositivo utilizando microorganismos vivos inmovilizados en la superficie de un electrodo sensible a amonio. [2]

DESARROLLO DE CONTENIDOS

Biosensores

Son instrumentos analíticos que transforman procesos biológicos en señales eléctricas u ópticas y permiten su cuantificación. Acopla un elemento biológico sensible asociado a un sistema de transducción.

La función de un sensor es convertir un tipo de cantidad a otro tipo de cantidad La temperatura a una señal eléctrica, la presión de un fluido electrostático a una señal eléctrica, etc. [4]

Se compone de tres partes:

• El sensor biológico: Puede ser un tejido, un cultivo de microorganismos, enzimas, anticuerpos, cadenas de ácidos nucleicos, etc. [3]

• El transductor: Acopla los otros dos elementos y traduce la señal emitida por el sensor. [3]

• El detector: Puede ser óptico, piezoeléctrico, térmico, magnético, etc. [3]

Fig. 1 Biosensores desarrollados como una piel electrónica

que se adhiere como tatuaje temporal y mide los signos vitales.

El ejemplo más común de biosensor es el que mide la glucosa en la sangre. Utiliza una enzima que procesa moléculas de glucosa, liberando un electrón por cada molécula procesada. Dicho electrón es recogido en un electrodo y el flujo de electrones es utilizado como una medida de la concentración de glucosa. [3]

Fig. 2 Biosensores al funcionar como "marcadores", podrían detectar cáncer tempranamente.

El principio de detección se basa en la interacción específica entre el compuesto de interés y el elemento de reconocimiento. [4]

• Compuesto de interés: analito.

• Elemento de reconocimiento: bioreceptor.

Esta interacción genera la variación de una o más propiedades fisicoquímicas que son detectadas por el transductor. [4]

• Transferencia de electrones.

• Cambio de pH.

• Transferencia de calor.

• Cambio de potencial.

El transductor transforma la respuesta del bioreceptor en una señal electrónica que indica la presencia del analito proporcional a su concentración en la muestra, El electrodo registra estos cambios los cuales a su vez son procesados en diferentes etapas hasta obtener la medición numérica en una pantalla. [4]

• A. Características de los biosensores:

• Alta sensibilidad.

• Alta selectividad.

• Mediciones en tiempo real.

• Automatizables.

• Portátiles.

• Miniaturalizables.

• Capacidad de multianálisis.

Una de las características fundamentales que hace tan atractivos a la mayoría de los biosensores es la posibilidad de realizar el análisis de la sustancia a determinar en tiempo real y de forma directa a diferencia de cualquier análisis biológico o clínico que requiere siempre un marcador. [5]

Estas dos características le confieren a los biosensores la posibilidad de realizar no sólo un análisis cualitativo y cuantitativo, sino también la posibilidad de evaluar la cinética de la interacción  y, por tanto, elucidar los mecanismos fundamentales de dicha interacción. [5]

Pocas técnicas biotecnológicas permiten la evaluación en tiempo real de las cinéticas de interacción, por lo que la tecnología biosensora se está imponiendo en todas aquellas áreas donde es fundamental conocer los detalles cinéticos de la interacción biomolecular, como por ejemplo, en la evaluación de fármacos potenciales. [5]

Principio de funcionamiento de los biosensores.

Fig. 3 Esquema a bloques de un biosensor.

Esquema del funcionamiento de un biosensor. La muestra a analizar se pone en contacto con el dispositivo, siendo posible detectar sólo al analito (+) para el que está diseñado el receptor biológico. Cuando tiene lugar la reacción de reconocimiento biológico se producen una serie de cambios físico-químicos detectados por el transductor, que produce una señal cuantificable, directamente proporcional a la concentración del analito. [5]

Receptores y transductores

Son muchos los dispositivos biosensores que se han desarrollados y muy variados los mecanismos físico-químicos de transducción que se han empleado para traducir la interacción biológica en una señal cuantificable y útil para el usuario. La clasificación de los biosensores viene impuesta tanto por la naturaleza de la biocapa receptora elegida como por el tipo del transductor empleado. Como elementos biológicos receptores se pueden emplear enzimas, anticuerpos, receptores proteícos, secuencias de oligonucleótidos, fragmentos subcelulares como mitocondrias, secciones de tejidos animales y vegetales, células completas, etc. y como transductor dispositivos ópticos, electroquímicos, y mecano-acústicos, principalmente. La combinación de la diversas capas receptoras con los diferentes transductores puede dar lugar a una gran variedad de dispositivos biosensores. [5]

Usos y aplicaciones de los biosensores el análisis clínico de glucosa en pacientes diabéticos

Los biosensores pueden ser utilizados ampliamente en el análisis clínico puesto de que tienen el atractivo de ser de bajo coste, pequeños, sensibles, y fáciles de usar. [6]

Biosensores de mesa de tipo electroquímico se encuentran, por supuesto, en servicio rutinario en los laboratorios de bioquímica clínica para determinar glucosa, ácido láctico, etc. Otra área de la medicina donde los biosensores entrarán con fuerza es la monitorización fuera de las horas de visita. Un ejemplo donde se requiere una monitorización de bolsillo, cómoda para el usuario, es el control de glucosa sanguínea en los diabéticos. [6]

La tasa de glucosa en sangre de un diabético insulino-dependiente tiene que determinarse dos o tres veces al día y es vital para la salud del paciente que tal control se realice con precisión. Aparatos de este tipo están siendo desarrollados por varias compañías en el mercado internacional. [6]

Tal monitorización mejorará la eficacia de los cuidados al paciente reemplazando los laboriosos, y a menudo lentos, sistemas de ensayos actuales. Ello llevará a una práctica clínica más próxima al enfermo, facilitando una rápida toma de decisiones en clínica. Una gran cantidad de sustancias requieren ser controladas en estas situaciones, tales como antígenos, anticuerpos, colesterol, compuestos neuroquímicos, etc. [6]

Fig. 4 Ejemplos de los posibles usos de los biosensores en el diagnóstico médico.

Detección de Cáncer y Anomalías Salud

Otro tipo de biosensor utiliza la tecnología sofisticada para detectar un rasgo específico o una anormalidad en un organismo vivo. Investigadores ORNL (Oak Ridge National Laboratory) han inventado varios biosensores de este tipo. [7]

Fig. 5 Tuan Vo-Dinh de ORNL (izquierda) y Bergein Overholt y Panjehpour Masoud, ambos del Centro de Thompson

De estos biosensores, el más importante es el sensor óptico desarrollado por Tuan Vo Dinh. Este sensor puede decir si un tumor en el esófago es canceroso o benigno. En el pasado, la determinación precisa de si un paciente tiene cáncer de esófago ha requerido una biopsia quirúrgica. Sin embargo, nuestro método basado en láser de fluorescencia ha eliminado la necesidad de una biopsia, reducir el dolor y el tiempo de recuperación de los pacientes. [7]

Así es como funciona. La luz láser de la longitud de onda apropiada se dirige a la superficie interior del esófago por medio de un dispositivo de fibra óptica que es tragada por el paciente. Las células epiteliales y tejidos en el interior del esófago fluorescen desprendido por la luz láser. Cuando el interior del esófago se ilumina con luz azul [410 nanómetros (nm)], el tejido normal emite luz en longitudes de onda diferentes de las emitidas por las células cancerosas. [7]

Las propiedades espectrales de la luz en longitudes de onda de 400 a 700 nm permiten analizar las distintas posiciones en el esófago. Las emisiones procedentes de células normales y células cancerosas se pueden distinguir con bastante precisión, la diferencia se expresa como el índice de fluorescencia normalizada diferencial. Las pruebas en más de 200 pacientes muestran que, en comparación con los resultados de las biopsias quirúrgicas, láser de diagnóstico de fluorescencia es preciso en más de 98% de los casos. [7]

Biosensor para el control de la diabetes sin el uso de muestras de sangre

Fig. 6 Estructura de un AOTF.

Otra biosensor de laboratorio Vo-Dinh proporciona una manera de supervisar el estado de la diabetes sin necesidad de utilizar muestras de sangre. En este caso, la luz se utiliza para iluminar el ojo y estimular ciertas sustancias, incluyendo proteínas. Este método no invasivo realmente depende de un desarrollo relativamente nuevo para la selección de la longitud de onda de la luz para la iluminación. Surgiendo la necesidad de prismas o rejillas para refractar la luz en diferentes longitudes de onda, se utiliza también un dispositivo llamado el Acousto-Optic Tunable Filters (AOTFs). Una AOTF selecciona la longitud de onda de la luz para brillar en el globo ocular y otro selecciona la longitud de onda de la luz fluorescente emitida por ciento del globo ocular. [7]

Ambas longitudes de onda AOTF se escanean simultáneamente con la técnica de luminiscencia síncrono desarrollado previamente para la investigación del medio ambiente. Los AOTFs, que son manipulados con una señal de radio-frecuencia, pueden escanear todo el espectro visible y porciones de los espectros ultravioleta y el infrarrojo en milisegundos para seleccionar las longitudes de onda apropiadas para usar para iluminar el globo ocular. También puede seleccionar la correcta carga a usar para leer la señal de fluorescencia de ojo del paciente instantáneamente. De esta manera muchos escaneos espectrales se pueden tomar con un promedio bastante aceptable gracias a la ayuda de una computadora para obtener la precisión requerida para medir el estado y los cambios en las proteínas de los ojos de los diabéticos. [7]

Conclusiones

Para concluir el tema tratado se puede decir que muchos biosensores ofrecen también las ventajas de su pequeño tamaño y gran portabilidad, lo que permite cantidades de muestra para hacer el análisis relativamente baja, lo que es muy importante si se trata de análisis de sangre o de ADN, o si la muestra es cara o difícil de conseguir.

A todo esto hay que unir que son baratos de producir, tienen un tiempo de vida larga y cuentan con una gran versatilidad que permite el diseño de dispositivos a la carta.

Por lo que resulta muy útiles para constituirse en la base de proyectos de Bioingenieria que nos permitirán así mejora la calidad de la salud y la calidad de vida de los diferentes tipos de pacientes poniendo de esta manera la tecnología al servicio de la comunidad que son los que mas lo necesitan.

Bibliografía

[1] Conejos de Evaluación y acreditación Argentino. (2007, Marzo). Bioingenieria [Online]. 1(1). Available: http://www.bioingenieria.edu.ar/extension/la_facultad/carreras/qesbioing.htm

[2] Ciencia Popular. (2013, Enero). Biosensores [Online]. 1(1). Available: http://www.cienciapopular.com/n/Tecnologia/Biosensores/Biosensores.php

[3] Wikipedia. (2013, Enero). Biosensores [Online]. 1(1). Available: http://es.wikipedia.org/wiki/Biosensor

[4] Oscar David R. (2013, Enero). Bioingenieria y Biosensores [Online]. 1(1). Available: http://bioingenieriaybiosensores.blogspot.com/

[5] Ministerio de Educación y Ciencia Español. (2013, Enero). Bio sens tecnología de sensores [Online]. 1(1). Available: http://www.imm.cnm.csic.es/RedBiosensores/tecnologia-de-biosensores.html

[6] Víctor M. Gimero Gil. (2013, Enero). Biosensores de última generación. [Online]. 1(1). Available: http://www.monografias.com/trabajos7/biul/biul

[7] K. Bruce Jacobson. (2013, Enero). Biosensors and Other Medical and Environmental Probes [Online]. 1(1). Available: http://www.ornl.gov/info/ornlreview/rev29_3/text/biosens.htm

Autor:

Carlos Tepan Pintado

Ingeniería Electrónica, Universidad Politécnica Salesiana, Cuenca, Ecuador