Las moléculas de nuestro cuerpo están en constante comunicación. Algunas de estas moléculas proporcionan una huella bioquímica que podría indicar cómo se está curando una herida, si un tratamiento contra el cáncer está funcionando o si un virus ha invadido el cuerpo. Si pudiéramos sentir estas señales en tiempo real con alta sensibilidad, entonces podríamos reconocer los problemas de salud más rápido e incluso monitorear la enfermedad a medida que avanza.
Ahora, los investigadores de la Universidad Northwestern han desarrollado una nueva tecnología que facilita escuchar las conversaciones internas de nuestro cuerpo.
Si bien las señales químicas del cuerpo son increíblemente débiles, lo que las hace difíciles de detectar y analizar, los investigadores han desarrollado un nuevo método que aumenta las señales más de 1000 veces. Los transistores, el bloque de construcción de la electrónica, pueden aumentar las señales débiles para proporcionar una salida amplificada. El nuevo enfoque hace que las señales sean más fáciles de detectar sin una electrónica compleja y voluminosa.
Al permitir la amplificación de señales bioquímicas débiles, el nuevo enfoque acerca la medicina moderna un paso más al diagnóstico en tiempo real y al monitoreo de enfermedades.
La investigación fue publicada el sábado (24 de marzo) en la revista Comunicaciones de la naturaleza.
«Si pudiéramos medir de manera confiable las señales bioquímicas en el cuerpo, podríamos incorporar esos sensores en tecnologías portátiles o implantes que tienen un tamaño pequeño, menos carga y no requieren dispositivos electrónicos costosos», dijo Jonathan Rivnay de Northwestern, autor principal del estudio. «Pero extraer señales de alta calidad ha seguido siendo un desafío. Con energía y espacio limitados dentro del cuerpo, es necesario encontrar formas de amplificar esas señales».
Rivnay es profesor de ingeniería biomédica en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern. Xudong Ji, investigador postdoctoral en el laboratorio de Rivnay, es el primer autor del artículo.
Si bien comunican información vital llena de potencial para guiar diagnósticos y tratamientos, muchos sensores químicos producen señales débiles. De hecho, los profesionales de la salud a menudo no pueden descifrar estas señales sin extraer una muestra (sangre, sudor, saliva) y pasarla por equipos de laboratorio de alta tecnología. Por lo general, este equipo es costoso y quizás incluso esté ubicado fuera del sitio. Y los resultados pueden tardar un tiempo insoportablemente largo en volver.
El equipo de Rivnay, sin embargo, tiene como objetivo detectar y amplificar estas señales ocultas sin siquiera abandonar el cuerpo.
Otros investigadores han explorado sensores electroquímicos para la biodetección utilizando aptámeros, que son hebras simples de ADN diseñadas para unirse a objetivos específicos. Después de unirse con éxito a un objetivo de interés, los aptámeros actúan como un interruptor electrónico, plegándose en una nueva estructura que activa una señal electroquímica. Pero con los aptámeros solos, las señales suelen ser débiles y muy susceptibles al ruido y la distorsión si no se prueban en condiciones ideales y bien controladas.
Para evitar este problema, el equipo de Rivnay equipó un componente amplificador en un sensor tradicional basado en electrodos y desarrolló un sensor basado en transistores electroquímicos con una nueva arquitectura que puede detectar y amplificar la señal bioquímica débil. En este nuevo dispositivo, el electrodo se usa para detectar una señal, pero el transistor cercano se dedica a amplificar la señal. Los investigadores también incorporaron un electrodo de referencia de película delgada incorporado para hacer que las señales amplificadas sean más estables y confiables.
«Combinamos la potencia del transistor para la amplificación local con la referencia que obtienes de métodos electroquímicos bien establecidos», dijo Ji. «Es lo mejor de ambos mundos porque podemos medir de manera estable la unión del aptámero y amplificarlo en el sitio».
Para validar la nueva tecnología, el equipo de Rivnay recurrió a una citocina común, un tipo de proteína de señalización, que regula la respuesta inmunitaria y está implicada en la reparación y regeneración de tejidos. Al medir la concentración de ciertas citoquinas cerca de una herida, los investigadores pueden evaluar qué tan rápido se está curando una herida, si hay una nueva infección o si se requieren o no otras intervenciones médicas.
En una serie de experimentos, Rivnay y su equipo pudieron amplificar la señal de las citocinas en tres o cuatro órdenes de magnitud en comparación con los métodos tradicionales de detección de aptámeros basados en electrodos. Aunque la tecnología funcionó bien en experimentos para detectar la señalización de citocinas, Rivnay dice que debería poder amplificar señales de cualquier molécula o sustancia química, incluidos anticuerpos, hormonas o fármacos, donde el esquema de detección utiliza indicadores electroquímicos.
«Este enfoque es ampliamente aplicable y no tiene un caso de uso específico», dijo Rivnay. «La gran visión es implementar nuestro concepto en biosensores implantables o dispositivos portátiles que puedan detectar un problema y luego responder».
El estudio, «Transistores electroquímicos orgánicos como amplificador de señal en el sitio para la detección basada en aptámeros electroquímicos», fue apoyado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa (número de subvención D20AC00002).
