Retos de la ciencia: Nanotecnología aplicada a la salud

Hoy en día resulta fundamental disponer de dispositivos o métodos de sensado que permitan medir y caracterizar de una manera rápida, eficiente y fiable un gran número de parámetros, como, por ejemplo, temperatura, presión, intensidad de campo eléctrico, etc. Además de para la medida de dichas magnitudes físicas, para las que ya existen métodos de medida tremendamente maduros, el mayor interés se centra actualmente en el desarrollo de dispositivos o métodos de sensado para la detección específica, la cuantificación y el análisis de sustancias como puedan ser gases, líquidos, proteínas, anticuerpos, hormonas, bacterias o incluso ADN, entre muchas otras. Las investigaciones que se realizan en la actualidad se dirigen hacia el desarrollo de los dispositivos conocidos como Lab-on-a-Chip (LoC), dispositivos que permiten el análisis de muestras complejas (e.g., sangre, aguas residuales, muestras de comida, gases, etc.) de forma rápida y sencilla haciendo uso de un chip totalmente funcional de unos pocos mm2. Este tipo de tecnología tiene aplicación en infinidad de campos, como por ejemplo, el diagnóstico médico, la investigación farmacéutica, la detección de contaminantes, o la guerra química/bacteriológica.


Una de las opciones que mayor interés despierta actualmente para el desarrollo de dispositivos de análisis LoC es la utilización de estructuras ópticas, y más concretamente, de estructuras nanofotónicas. Estas estructuras tienen tamaños del orden de los nanómetros y podrían considerarse como el equivalente óptico de la tecnología microelectrónica. En lo referente a la utilización de estructuras fotónicas para realizar funciones de sensado, las dos principales ventajas que estas presentan son su extremadamente elevada sensibilidad, debido a la gran interacción que se produce entre el analito a detectar y la luz que se propaga por la estructura, y su extremadamente reducido tamaño, lo que permite la integración de múltiples estructuras de sensado en un único chip de área muy reducida (hasta miles de estructuras de sensado en un chip de tan solo 1 mm2) de forma que se pueda realizar una detección multi-analito mediante la adecuada biofuncionalización de cada estructura de sensado con un receptor diferente.


Los biosensores nanofotónicos tienen otras muchas ventajas en comparación con las tecnologías de sensado disponibles en la actualidad, las cuales se derivan principalmente de las dos ventajas anteriores (alta sensibilidad y tamaño reducido): la rapidez en realizar el análisis (los resultados se obtienen en unos pocos minutos); la posibilidad de obtener curvas de sensado que nos permitan analizar el proceso de interacción entre receptor y analito; la necesidad de volúmenes muy reducidos de las muestras a analizar y de los reactivos necesarios (unos pocos microlitros de muestra suelen ser suficientes para el análisis y basta con volúmenes por debajo del nanolitro para funcionalizar cada estructura); y su inmunidad a las interferencias electromagnéticas (lo que les proporciona una mayor robustez y fiabilidad). Pero además, la utilización de materiales y procesos de fabricación procedentes de la industria de la microelectrónica (compatibilidad con CMOS) para la fabricación de las estructuras fotónicas integradas hace que se puedan tener volúmenes de fabricación elevados y un bajo coste, del mismo modo que ocurre en la actualidad en el campo de la microelectrónica.


En este contexto se enmarca el proyecto europeo SAPHELY (Self-amplified photonic biosensing platform for microRNA-based early diagnosis of diseases), liderado por la Universitat Politècnica de València y financiado por la Comisión Europea a través de su programa Horizonte 2020. El proyecto SAPHELY tiene como objetivo el desarrollo de un dispositivo basado en tecnología nanofotónica capaz de obtener un diagnóstico rápido y precoz de diferentes tipos de cáncer (mama, próstata, pulmón y colorrectal) analizando tan solo dos o tres gotas de sangre del paciente. Según los datos proporcionados por la Organización Mundial de la Salud (OMS), el cáncer provoca cada año aproximadamente 7.5 millones de muertes en todo el mundo (es la segunda causa de muerte tras las enfermedades cardiovasculares), siendo unas 2.7 millones de estas muertes debidas a las cuatro variedades de cáncer consideradas en el proyecto SAPHELY, que son aquellas con una mayor incidencia. Pese a estos números, la OMS indica que la mayoría de estos tipos de cáncer tienen altas tasas de curación si se detectan de forma precoz y se tratan de acuerdo con las mejores prácticas. Por tanto, el disponer de herramientas fiables de detección permitiría implementar programas de screening masivo preventivo entre la población de riesgo, algo que sería clave para reducir las tasas de mortalidad entre los pacientes de cáncer, así como para reducir los costes asumidos por los sistemas de salud para el tratamiento de estos pacientes.


El dispositivo basado en tecnología nanofotónica a desarrollar en el proyecto SAPHELY llevará a cabo la identificación de esas variedades de cáncer mediante la detección rápida y ultra-sensible de biomarcadores basados en microRNA, cuya desregulación ha sido relacionada con una gran cantidad de enfermedades; actualmente, más de 400 entre las que se incluyen Alzheimer, Parkinson, diabetes, osteoporosis o enfermedades cardiovasculares. De este modo, la tecnología desarrollada podría constituir una plataforma de diagnóstico precoz universal, ya que no solo permitiría su uso para el diagnóstico de las cuatro variedades de cáncer consideradas en el proyecto, sino que también permitiría el diagnóstico precoz de cualquier otra enfermedad con una desregulación de microRNAs asociada.

 

      Jaime García Rupérez
      Centro de Tecnología Nanofotónica de Valencia
      Universitat Politècnica de València

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