Biosensores

Hoy en día, uno de los más grandes problemas de salud en el país es la diabetes. Para las personas diabéticas resulta doloroso analizar su contenido de glucosa en la sangre, ya que se usan jeringas o lancetas para perforar la piel y extraer algunos microlitros de flujo sanguíneo y analizarlo. A pesar de lo doloroso de este procedimiento, es algo necesario para el buen control de la enfermedad. Aunque este monitoreo no es la solución al problema de la diabetes, sabemos que es la única forma práctica de dar seguimiento al control de la concentración de glucosa en la sangre y por lo tanto aminorar los efecto dañinos de la enfermedad.

Seguramente, todos los diabéticos han deseado alguna forma diferente para determinar la concentración de la glucosa en la sangre. Para los autores de este artículo, proporcionar una solución a este problema nos ha impulsado a trabajar con silicio poroso nanoestructurado. Por ejemplo, ¿se imaginan tener un reloj o una pulsera con una aguja nanométrica? Sí, una pequeña punta o tubo con un espesor unas cien mil veces más delgado que el grosor de nuestro cabello que podría entrar sin dañar nuestra piel y analizar el contenido de glucosa en nuestra sangre. Por lo diminuto de este tubo no lastimaría a la piel, y por lo tanto, no dolería. Este ejemplo sería un desarrollo tecnológico en el campo de los sensores de sustancias orgánicas o biológicas.

En general los sensores son utilizados en muchos aspectos de la vida. Tenemos sensores en las habitaciones para medir la temperatura o en los autos para medir el nivel de aceite o del líquido de frenos, entre otros. Un sensor puede ser tan simple como un termómetro de mercurio o tan complicado como un sistema de instrumentos para medir la temperatura en un reactor nuclear.

Hasta aquí hemos mencionado sensores hechos por personas, pero en los seres vivos hay comunicación entre los componentes de una célula y entre el conjunto de organismos que pertenecen a un ecosistema. Esa comunicación  se lleva a cabo principalmente mediante cambios fisicoquímicos. En el contexto biológico monitorear las propiedades físicas (densidad, tamaño, etc) y químicas (cambios en la composición) en una parte del sistema permite ante un estímulo externo realizar los cambios necesarios para sobrevivir. Para comprender mejor como se desarrollan estas  relaciones, es útil poder identificar y medir qué sustancias forman parte de estos cambios y el proceso de cómo lo hacen. Es así, cuando se requiere medir el avance de los procesos en un tejido biológico o la forma en que se comunican diversos organelos de la célula, se requieren sensores específicos que puedan medir flujos o sustancias específicas en ellas. En particular, los seres vivos tienen incorporados este tipo de sensores. Por ejemplo, nuestro cuerpo tiene diversos sensores que monitorean niveles de glucosa en la sangre y de otras sustancias que desatan la liberación de insulina. A este tipo de sensores biológicos se les conoce como biosensores y nos permiten realizar mediciones de flujos o concentraciones de sustancias. Así un biosensor es un dispositivo que detecta y mide una sustancia de interés biológico y la traduce a una señal que podamos interpretar más fácilmente, por ejemplo una señal química, óptica o eléctrica, como podrían ser un cambio de color o una diferencia de potencial. En la figura 1 se muestra un esquema de como funciona un sensor óptico.  Primero se mide algún parámetro óptico, por ejemplo cuanta luz refleja un material con cierta sensibilidad a alguna molécula que queremos estudiar (Figura 1 A). Posteriormente se adiciona la molécula a analizar (Figura 1 B) , y se vuelve a medir la reflexión. Finalmente, se compara los resultados antes y después de agregar la molécula y se relaciona la diferencia con la cantidad medida (Figura 1 C).

Los primeros biosensores artificiales fueron construidos en los años 60 y consistían en la unión de detectores de pH (acidez o alcalinidad) u oxígeno con enzimas inmovilizadas para detectar glucosa [1]. A partir de esa fecha se desarrollaron diferentes tipos de biosensores basados en diversos mecanismos como los optoelectrónicos basados en la respuesta óptica, los electroquímicos y enzimáticos basados en los cambios químicos del sensor, y los basados en cambios mecánicos como los mecano-acústicos o piezoeléctricos. Existen diversas aplicaciones de biosensores en nuestra vida cotidiana, por ejemplo en medicina se utilizan dispositivos que nos permiten medir sustancias bioquímicas claves para detectar enfermedades, como los niveles de glucosa en sangre para el diagnóstico de la diabetes. Otras aplicaciones son: la detección de drogas para control en bioreactores que hacen fármacos en la industria y la investigación de procesos biológicos básicos. Se estima que el mercado global de biosensores en el año 2012 llegó los 8.5 billones de dólares americanos y está  proyectado que alcanzará los 16.8 billones en el año 2018 [2].

Un biosensor básicamente consta de 3 partes: En primer lugar, de un elemento biológico a analizar como un tejido, una célula, o unos anticuerpos, entre otros. En segundo lugar, de un material que permite detectar mediante un cambio en alguna característica física o química la presencia de la sustancia que nos interesa. Finalmente, de una parte electrónica capaz de traducir ese cambio físico o químico en una respuesta que podamos entender y medir.  El material utilizado para sensar o detectar la sustancia a analizar debe ser sensible y selectivo. Sensible, para que que al estar en contacto con la sustancia de estudio reaccione presentando alguna modificación. Selectivo para que reaccione sólo con esa sustancia y con ninguna otra presente en el sistema biológico analizado. Si se cumple lo anterior entonces tenemos un buen material para elaborar un biosensor. Una vez elegido el material con las características anteriormente mencionadas, el siguiente paso es saber qué cantidad de la sustancia medida corresponde a determinada modificación del material. A lo anterior se le llama “calibrar el biosensor”. Generalmente, se elige una cantidad conocida de la sustancia a analizar por ejemplo 1 mililitro y se coloca en el material que tendrá un cambio, se mide la modificación óptica, química, eléctrica o mecánica antes y después de que el material haya estado en contacto con la sustancia analizar. El cambio en la respuesta correspondería a un mililitro en el caso de este ejemplo y se hace lo mismo para varias concentraciones hasta obtener una curva de calibración. Finalmente, es también muy importante que el biosensor sea reproducible, así tendremos la misma respuesta ante la misma cantidad de sustancia a analizar en diferentes pruebas, y lo que medimos y analizamos será confiable.

En la actualidad, se requieren biosensores con mayor sensibilidad, confiabilidad y bajos costos. Una de las estrategias claves para esto es su miniaturización. Gracias al uso de la micro y la nanotecnología los sensores biológicos son cada vez más pequeños y sensibles. En la escala micrométrica, es decir de 0.000001 metros, la mayor parte del trabajo de miniaturización se enfoca en la elaboración de microarreglos. Para su fabricación se utilizan técnicas de estructuración de semiconductores, ampliamente desarrolladas en la industria electrónica, como la litografía que se usa para hacer los chips en las computadoras. Estos microarreglos permiten usar volúmenes muy pequeños disminuyendo los costos. Recientemente, se ha explorado el uso de sistemas nanométricos como una alternativa para desarrollar dispositivos de detección alternos y aumentar la sensibilidad de los sistemas existentes. Lo anterior es posible gracias a su gran superficie activa disponible, su buena conductividad eléctrica, y, en el caso de nanopartículas metálicas, a la presencia de plasmones de superficie (Sps).  Los plasmones de superficie se presentan cuando se hace incidir luz, que es una onda electromagnética, en un material que tiene una gran cantidad de electrones disponibles, como podría ser una nanopartícula  metálica; a determinada frecuencia de la luz los electrones se mueven u oscilan mostrando un comportamiento colectivo, como si muchos resortes se movieran al mismo tiempo (para más detalles consultar [3]).  Lo anterior aumenta la dispersión y absorción de la luz en la cercanía de la nanopartícula.  Esta peculiaridad se puede utilizar para mejorar significativamente  la respuesta óptica de los biosensores aumentando su sensibilidad.  De esta  manera se pueden detectar sustancias de manera cada vez más precisa. Aún existen muchos retos por resolver, por ejemplo hacer cada vez más específicos los biosensores y desarrollarlos de forma que se pueda monitorear como cambia una sustancia con el tiempo. En Morelos algunos grupos realizan investigación para hacer nuevos y mejores sensores biológicos como el grupo del Dr. Takuya Nishigaki Shimizu en el Instituto de Biotecnología de la UNAM [4]. Así mismo, en el Instituto de Energías Renovables se utiliza silicio poroso nanoestructurado como un material para detectar compuestos biológicos, como en el caso de la  fluoresceina: un marcador biológico [5].  Ahora, ya sabes que cada vez que te vas a hacer un análisis de sangre en algún laboratorio estás utilizando un sensor biológico.

Por supuesto que existen muchísimas sustancias que podemos monitorear en el cuerpo humano para estar atentos a sus cambios de comportamiento y anticipar posibles problemas de salud. Por eso, el desarrollo de muchísimos más biosensores que, debido a su miniaturización sean mucho menos invasivos, es uno de los sueños que los futuros ingenieros pueden materializar.

Artículo publicado originalmente “Biosensores” en el periódico Unión de Morelos por miembros de la Academia de Ciencias de Morelos A.C.