La tecnología ha evolucionado de manera exponencial en los últimos años. Son muchos los ejemplos de nuevos avances que ya nos rodean en la vida cotidiana: internet, telefonía móvil (incluyendo los smartphones), redes sociales, videojuegos, navegación GPS, etc.
Todos parecen ser avances realizados en el área de la comunicación y entretenimiento. No obstante, también ha habido avances importantes en otros ámbitos, como veremos a continuación.
De hecho, los avances tecnológicos de las dos últimas décadas han dado pie al diseño y la creación de biosensores con muy diversas aplicaciones. Hoy en día estos dispositivos son muy comunes y necesarios en un amplio rango de campos como genómica, proteómica, diagnóstico clínico, monitorización del medio ambiente, análisis de alimentos, agricultura y seguridad. Pero, ¿sabemos realmente lo que son?
El término biosensor se introdujo en 1975, para denominar el uso de los transductores para la detección directa de biomoléculas en las superficies. Según la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC), un biosensor se define como “un dispositivo que utiliza reacciones bioquímicas mediadas por enzimas, inmunosistemas, tejidos, orgánulos, o células enteras aisladas, para detectar analitos, generalmente por señales eléctricas, térmicas u ópticas”.
«Un analito es la especie química que se mide en una muestra y que nos ofrece información acerca de lo que queremos medir. Por ejemplo, en el caso de los biosensores de glucosa, la propia glucosa presente en una muestra de sangre sería el analito».
La imagen superior muestra un esquema de las partes de un biosensor. Un biosensor consta de un componente biológico de reconocimiento y un transductor físico. El elemento de reconocimiento biológico es responsable del reconocimiento específico del analito y el transductor físico convierte el evento biológico reconocido en una señal óptica, magnética, térmica o eléctrica cuantificable.
El ejemplo más antiguo de “dispositivo” que se podría considerar como biosensor fue utilizado por los mineros para la alerta de una posible fuga de gases tóxicos, como el monóxido de carbono o el metano.
En esta antigua fotografía (1914) de la brigada de rescate de la mina de carbón de Kemberton, se aprecia cómo el hombre de la izquierda lleva consigo una jaula con un canario en su interior, el primer “biosensor”.
Cualquier signo de sufrimiento del canario era una clara señal de que las condiciones bajo tierra no eran seguras y de este modo los mineros podían evacuar la mina a tiempo, salvando así numerosas vidas.
«Otros ejemplos más claros, actuales y populares de biosensores son el test de embarazo, el sensor de glucosa y el test de alcoholemia. Todos ellos son dispositivos capaces de convertir una respuesta biológica en una señal eléctrica cuantificable».
El biosensor de glucosa detecta la concentración de glucosa mediante la cuantificación de una reacción enzimática en la que participa la glucosa como sustrato y convierte la medida en señal eléctrica. Los enzimas que más se han utilizado en el diseño de los biosensores de glucosa contienen grupos químicos que cambian su estado redox durante el transcurso de la reacción bioquímica.
Un enzima de este tipo es la glucosa oxidasa (GOx), que en la naturaleza oxida sus sustratos, aceptando electrones y pasando a un estado reducido inactivo. Estas enzimas normalmente retornan a su estado oxidado activo transfiriendo estos electrones en presencia de O2, dando como resultado peróxido de hidrógeno (H2O2). La GOx se puede inmovilizar cerca de un electrodo que mida la reducción de oxígeno, tal y como recoge la secuencia de eventos que se daba en los primeros biosensores de glucosa que se muestra en la siguiente imagen.
Como la producción de H2O2 generada en la oxidación de la glucosa es directamente proporcional a la concentración de glucosa, el H2O2 generado se mide por amperometría a un potencial de +0.7 V usando un electrodo de referencia y un electrodo de trabajo. Es decir, se mide la cantidad de corriente producida (los electrones generados, e-) mediante la hidrólisis del H2O2 generado. Este sistema fue ideado en 1962 por Clark y Lyons y comercializado por primera vez por la compañía Yellow Springs Instruments en la década de los 70.
Los biosensores utilizados para detectar glucosa, tienen la GOx inmovilizada entre dos membranas. La membrana externa de policarbonato retiene el enzima, permite el paso de la glucosa desde el exterior y evita que entren moléculas más grandes, disminuyendo las interferencias. Cuando la glucosa pasa a la capa donde está el enzima inmovilizado, se oxida produciendo H2O2. Éste pasa a través de la membrana de acetato de celulosa a un electrodo de platino donde se mide la corriente eléctrica generada. Esta membrana interna también sirve de barrera para evitar que otras moléculas electroactivas e indeseadas lleguen al electrodo de medida, originando interferencias.
(A) Fotografía de YSI 23A, primer biosensor comercial de glucosa, y (B) estructura interna del sistema, donde se muestra la capa de enzima inmovilizada entre dos membranas (Mb)
Desde que se comercializó por primera vez, la evolución de este biosensor ha sido muy notable. De ser un sensor macroscópico, caro y con un límite de detección alto, ha pasado a ser un sensor miniaturizado, portable, sencillo, con límite de detección bajo, relativamente barato y manejable por el propio paciente pasando a proporcionar las ventajas de la tecnología Point of Care (POC), es decir, que permite que las muestras de los pacientes no tengan que analizarse en un laboratorio de análisis clínico, pudiéndose analizar fuera del ámbito hospitalario, en un entorno más cercano al paciente. De este modo, el propio paciente de diabetes puede desde su hogar, llevar un control diario de sus niveles de glucosa en sangre, sin tener que desplazarse a ninguna clínica o ambulatorio. Éste es un claro ejemplo de cómo el uso de los biosensores ha aumentado la calidad de vida de los pacientes, ha permitido facilitar el trabajo de muchos médicos y ha agilizado las prestaciones sanitarias al ciudadano.
A pesar de los muchos avances tecnológicos en el desarrollo de biosensores y la introducción de muchos productos diferentes, los biosensores de glucosa siguen representando aproximadamente el 85% del mercado mundial de los biosensores, que se estima que mueve alrededor de 12.800 millones de dólares [1]. La razón principal es la prevalencia de la diabetes en países desarrollados y a que el número de pacientes con diabetes crece imparablemente año tras año. Además se estima que el emergente mercado de los biosensores se incremente al menos un 9% en los próximos años, siendo uno de los sectores más rápidos del mundo en crecer [2].
Por último, una de las ideas más interesantes del desarrollo de los biosensores es que ha contribuido al incremento de colaboraciones multidisciplinares, combinando habilidades y conocimientos de químicos, biólogos, bioquímicos, físicos e ingenieros que aportan soluciones innovadoras a problemas concretos que la Ciencia, la Tecnología y la Sociedad actuales plantean.
Referencias:
[1] Turner, A. P. F. Biosensors: essential components in biomedical systems. Perspective on Biomedical Engineering (2011).
[2] Mongra, A. C. & Kaur, A. Biosensors activities around the globe. Dig J Nanomater Bios 7, 1457–1471 (2012).
«La Química en el siglo XXI» | Dr. Justo Giner Martínez-Sierra
Nota: Esta entrada participa en la L Edición del Carnaval de Química, cuyo blog anfitrión es JEDA Granada.
Si le ha gustado este artículo y desea reconocer el tiempo, esfuerzo y dedicación que hay detrás de él, ahora puede realizar una donación.
Cualquier cantidad, por pequeña que sea, será de gran ayuda para continuar dando vida a este proyecto.
¡Muchísimas gracias!
Puzzle Bobble
Karate Blazers
Puzzle De Bloques
Magical Cat Adventure