Nuevas tecnologías para un diagnóstico rápido de biomoléculas, microorganismos y contaminantes

Los sistemas de diagnóstico rápido permiten detectar moléculas y microorganismos en muestras complejas, como sangre, sudor, agua o productos agroalimentarios. Su objetivo es identificar de forma temprana biomoléculas, contaminantes, bacterias o virus, lo que posibilita establecer un diagnóstico y adoptar de manera inmediata las acciones correspondientes.

Estos sistemas permiten ofrecer soluciones al enfoque convencional, en el que la muestra a analizar debe trasladarse a un laboratorio equipado con instrumentación avanzada, dónde pueden transcurrir varios días hasta obtener los resultados. Esta capacidad de análisis ofrece oportunidades en diferentes áreas.

En salud, estos sistemas pueden tener como objetivo un diagnóstico rápido de patologías diferentes, como una infección sistémica en el organismo, detectar genes de resistencia bacteriana a determinados antibióticos, distinguir el tipo de urgencia cerebrovascular en un paciente o estudiar la concentración en sangre de fármacos biológicos o antibióticos. Este último punto es de especial interés en la monitorización terapéutica de pacientes con enfermedades inflamatorias autoinmunes o que están sometidos a tratamiento antibiótico para el control de infecciones bacterianas. 

Además, ha aumentado el interés por el desarrollo de sistemas wearables capaces de monitorizar parámetros fisiológicos relacionados con la fatiga, el estrés o la deshidratación durante las actividades cotidianas, la práctica deportiva o el desempeño de actividades físicamente exigentes.

Por otro lado, en la industria agroalimentaria, el diagnóstico rápido avanza hacia la detección de bacterias como la Listeria monocytogenes, la Salmonella spp, el Campylobacter jejuni o la Staphylococcus aureus en empresas fabricantes o envasadoras de productos agroalimentarios. Las soluciones buscan establecer un control temprano del producto, desde la recepción de la materia prima hasta su procesamiento y envasado final.

En este mismo sector, estos sistemas avanzan hacia la detección temprana de patógenos vegetales, incluyendo bacterias, virus y hongos, responsables de enfermedades en los cultivos. También son foco de atención la detección mediante estos sistemas de alérgenos como el gluten y la tropomiosina, entre otros.

Por último, en el ámbito medioambiental destaca el interés por la detección de contaminantes en aguas, como las sustancias perfluoroalquiladas y polifluoroalquiladas (PFAS), persiguiéndose monitorizar in situ estas concentraciones y enviar alertas cuando superan los umbrales establecidos por la legislación. Otra aplicación de interés es la detección de gases y compuestos orgánicos volátiles en aire, en algunos casos emitidos por microorganismos vivos como las bacterias. 

Factores para el desarrollo de los sistemas

Durante los últimos años se han investigado diversos mecanismos de detección: basados en la obtención de señales mediante técnicas electroquímicas, espectroscopia óptica, resonancia de plasmones superficiales o localizados en nanoestructuras, acoplamiento magnetoelástico en determinados materiales, el uso de fibras ópticas; o, incluso, la detección por fluorescencia del estado de espín de centros de nitrógeno-vacante (NV) en estructuras de diamante. 

Todos presentan ventajas e inconvenientes en función de la aplicación a la que van destinados, presentando características muy diferentes en términos de sensibilidad, especificidad y coste del sensor.

De cara a encontrar los sistemas de diagnóstico más adecuados para cada aplicación, la ciencia trabaja en la optimización de diferentes principios de transducción en términos de sensibilidad y especificidad hacia la molécula o microorganismo objetivo, así como en conocer todas las condiciones de contorno que condicionan la elección y el diseño de estas soluciones. 

La sensibilidad del transductor o sensor describe su capacidad para detectar pequeñas variaciones en la concentración del analito, determinando, entre otros parámetros, el límite de detección alcanzable. Por su parte, la especificidad hace referencia a la capacidad del sistema para reconocer de forma inequívoca el analito de interés y discriminarlo frente a otras moléculas o microorganismos presentes en la muestra.

Ambos parámetros resultan especialmente críticos cuando el biosensor se aplica a matrices complejas, como sangre, saliva o alimentos, donde la presencia de numerosos compuestos potencialmente interferentes puede aumentar la señal de fondo, favoreciendo uniones inespecíficas y comprometiendo tanto la sensibilidad como la especificidad del sistema. Por ello, se buscan mecanismos de detección que optimicen ambas características, evitando, por ejemplo, aquellos que, si bien son capaces de detectar concentraciones muy bajas del analito de interés, presentan dificultades para discriminarlo de otras moléculas presentes en la muestra. 

Las condiciones de contorno de la aplicación constituyen otro de los factores clave en la selección del mecanismo de detección de las moléculas o los microorganismos diana. Entre ellas, destaca la necesidad de realizar un pretratamiento de la muestra antes del diagnóstico, así como el grado de complejidad que dicho pretratamiento implica en el contexto específico de la aplicación.

Otro aspecto fundamental es el tiempo de respuesta necesario para obtener el diagnóstico, que depende, lógicamente, del ámbito de aplicación en el que vaya a emplearse el sensor.

Asimismo, resultan determinantes las características físicas del dispositivo y su adecuación al uso previsto, así como su capacidad para integrarse con los sistemas de procesamiento y transmisión de datos hacia la unidad operativa responsable de actuar en función del resultado de la medida.

Por último, debe considerarse el coste, tanto del propio dispositivo sensor como de sus consumibles, ya que este factor puede hacer que una determinada solución sea adecuada para unas aplicaciones, pero no para otras.

La experiencia de Tekniker

En este contexto, en el centro tecnológico Tekniker contamos con una amplia experiencia en el diseño, fabricación y validación de mecanismos de transducción para aplicaciones en los ámbitos de la salud, la agroalimentación y el medioambiente. Hemos trabajado en diversos principios de detección y soluciones tecnológicas.

Entre ellos destacan la resonancia de plasmones en superficies, tanto continúas como nanoestructuradas, donde se generan plasmones superficiales localizados. Con esta metodología, en Tekniker hemos desarrollado sensores para la detección de la citoquina proinflamatoria TNF-α y el factor de crecimiento epidérmico ErbB2.

Hemos validado esta metodología utilizando muestras de suero sanguíneo, incluidas muestras reales de pacientes diagnosticados con enfermedad de Crohn, alcanzando límites de detección del orden del pg/mL. Asimismo, hemos monitorizado en tiempo real la adsorción de la albúmina sérica, la proteína más abundante del plasma sanguíneo.

El mismo principio de medida se ha aplicado tanto al análisis del contenido de algunas de estas proteínas en lisados de diferentes fenotipos de células de cáncer de mama como al análisis de células de cáncer de mama intactas. Esto ha permitido determinar el número medio de receptores de membrana correspondientes a estas proteínas y discriminar entre los distintos fenotipos celulares.

La misma tecnología la hemos empleado también en el sector agroalimentario para detectar trazas de tropomiosina de gamba, principal alérgeno de los crustáceos, con alta sensibilidad y especificidad. El sistema ha permitido diferenciar la tropomiosina y ha demostrado su utilidad en el análisis de alimentos crudos, cocinados y procesados mediante protocolos sencillos, sin necesidad de etapas de purificación o enriquecimiento de la muestra. Su rapidez, bajo coste y capacidad para analizar matrices alimentarias complejas lo convierten en una herramienta adecuada para el control rutinario de alérgenos en la industria alimentaria.

En Tekniker colaboramos también con el Donostia International Physics Center (DIPC) en el desarrollo de tecnologías de espectroscopia óptica aumentada para la determinación de moléculas en muestras diferentes. Estas tecnologías se basan en el diseño y fabricación de nanoestructuras plasmónicas capaces de amplificar tanto las señales de absorción en el infrarrojo como las de dispersión Raman.

Esta tecnología se ha aplicado a la detección de contaminantes nocivos para la salud como la acrilamida en alimentos y las moléculas PFAS en aguas, alcanzando límites de detección inferiores a 100 ng/mL sin la utilización de moléculas receptoras como anticuerpos o aptámeros.

Sistemas de detección de bacterias y virus 

En Tekniker colaboramos con el centro tecnológico Gaiker, la Universidad del País Vasco y la Universidad de Mondragón en el desarrollo de sistemas para la detección de bacterias y virus mediante amplificación isotérmica LAMP (Amplificación isotérmica mediada por bucle) de secuencias genéticas específicas de cada microorganismo y su posterior detección electroquímica.

La solución se ha integrado en un chip microfluídico, lo que permite detectar los microorganismos con un tratamiento mínimo de la muestra o, en algunos casos, sin necesidad de pretratamiento. El sistema permite la detección en tiempo real y ha sido validado para microorganismos de interés en distintos ámbitos, entre ellos Legionella spp. en aguas; Listeria monocytogenes y Staphylococcus aureus en el sector agroalimentario; y el virus SARS-CoV-2.

Los resultados obtenidos demuestran una elevada sensibilidad, alcanzando límites de detección de hasta 100 UFC/L para Legionella spp. en agua de red y de 1 UFC/25 g para Listeria monocytogenes en productos lácteos, embutidos y vegetales, valores en línea con los requisitos establecidos por la legislación vigente en materia de seguridad alimentaria. 

Asimismo, esta plataforma se está aplicando a la detección de genes de bacterias asociados a la virulencia y a la resistencia a antibióticos. Entre ellos destacan los genes nuc y coa de Staphylococcus aureus, relacionados con la capacidad patógena de la bacteria, y el gen mecA, responsable de la resistencia a la meticilina y característico de las cepas MRSA (Methicillin-resistant Staphylococcus aureus).

Wearables de diagnóstico

En el campo de los sistemas de diagnóstico para su uso en dispositivos wearable, en Tekniker hemos trabajado también en la detección electroquímica de iones como Na⁺, K⁺, Ca²⁺ y NH₄⁺, así como de moléculas como el L-lactato, en muestras reales de sudor.

Los resultados obtenidos muestran límites de detección inferiores a las concentraciones basales de estos analitos, lo que constituye un paso previo hacia su integración en dispositivos capaces de monitorizar alteraciones fisiológicas asociadas a la deshidratación, la fatiga muscular o el estrés.

Además, se está empleando para la detección de L-lactato, cortisol, nicotina y niquetamida en muestras de sudor, con el objetivo de favorecer su integración en sistemas wearables para la monitorización de parámetros fisiológicos. Esta última aplicación permite evaluar el consumo de tabaco y el grado de exposición de personas no fumadoras, así como detectar estimulantes incluidos en la lista de sustancias prohibidas por la Agencia Mundial Antidopaje (AMA) en el deporte de competición.