El laberinto de la detección: El ejemplo de los biosensores

Asunto: La tecnología de los sensores ha entrado recientemente en una fase en la que priman la utilidad, la miniaturizacion y la fiabilidad. Una de las ventajas clave del uso de los componentes biológicos en los sensores, es su sensibilidad específica a sustancias particulares.

Relevancia: El uso de los biosensores sería una herramienta valiosísima en la medicina preventiva, al aliviar la carga económica de la asistencia sanitaria. Por otra parte, el uso de los novedosos multisensores en la industria alimentaria, la vigilancia medioambiental o la detección de drogas clandestinas podría hacer necesaria una revisión de las normativas existentes. También la introducción de esta tecnología podría plantear problemas de tipo ético, ya que los biosensores podrían comprometer la intimidad personal. Tanto los aspectos positivos como los posibles aspectos problemáticos de los biosensores exigen, por tanto, un debate general sobre el tema para determinar cuál es la mejor forma de enfocar esta tecnología.

Empiezan a convergir las capacidades y el coste de los sensores de función única y las de los potentes sistemas analíticos

El sensor simple frente al sistema analítico

En términos generales, la competencia entre estas dos aproximaciones tiene su origen en el aspecto económico. Integrar en los procesos industriales instrumentos analíticos de laboratorio suficientemente robustos siempre ha sido caro. De ahí la necesidad de sensores integrados que sean más sencillos y por lo tanto más económicos. Sin embargo, con el desarrollo de técnicas de fabricación dentro de las industrias electrónica, óptica y fotónica, ya es posible miniaturizar los instrumentos analíticos hasta tal punto que pueden competir con el método del sensor simple. Así las ventajas competitivas respectivas de cada enfoque se van reduciendo como consecuencia del cambio tecnológico. Un sensor debe contar, como mínimo, con un acondicionador de señales y una pantalla de visualización, por lo cual constituirá siempre un sistema. Además, los sensores de hoy aprovechan las mismas tendencias hacia la miniaturización que los instrumentos analíticos, y disponemos ya de sensores con acondicionamiento de señales integrado y con sofisticadas funciones (los sensores inteligentes). Aunque queda por resolver la cuestión de qué método adoptar - los sensores unifuncionales sencillos o los sistemas analíticos más potentes y flexibles - en realidad los dos contendientes se están acercando.

Desarrollos tecnológicos recientes

Los sensores de gas

Los microsistemas de sensores de conductividad en batería ya pueden incorporar varias docenas de detectores de óxido metálico dentro de una superficie inferior a 10x10 mm2. El material sensor cuenta con unas avanzadas técnicas de procesamiento para el reconocimiento de configuraciones repetidas y la evaluación de datos, tales como la quimométrica o las redes neurales [1]. Esto permite el análisis simultáneo de más de un componente. Actualmente las investigaciones van dirigidas hacia la personalización de la selectividad y la mejora de la estabilidad del material sensor [2].

Mientras ya se comercializan los sensores de glucosa, hay potencial para una contribución mucho más importante por parte de los biosensores a la medicina preventiva

Los biosensores en medicina

Los biosensores son dispositivos que combinan un sistema de reconocimiento biológico con un transductor - mediante el cual se convierte proporcionalmente el resultado de la interacción biológica en una señal eléctrica. Esto permite la detección de trazas de sustancias en medios complejos con un alto grado de sensibilidad.

Un tipo de biosensor, llamado el biosensor "amperométrico", ya hace posible la detección de casi todos los productos bioquímicos [3]. Los biosensores de este tipo incorporan avances en las áreas de la detección de reacciones de bioafinidad (p.ej. entre los antigenes y los anticuerpos), la detección de la hibridización del ADN, y la detección de glucosa in vivo. Se han comercializado recientemente sensores de glucosa unifuncionales para el autoanálisis en casa por los pacientes diabéticos [4].

El dignóstico de los infartos de miocardio debería resultar más rápido gracias a un biosensor que detecta el tejido donde, dos o tres horas más tarde, se producirá una apoplejía. El 'corazón' del instrumento es un electrodo de grafito, en cuya superficie una molécula de anticuerpo reacciona selectivamente en respuesta a un contenido determinado de tejido anormal en plasma sanguíneo [5].

En EE.UU. se ha construido un microfisiómetro que permite la caracterización de células aisladas y el examen de los efectos de la medicación. Investigadores alemanes han desarrollado un interfaz entre las neuronas y los chips de silicio. Tal elemento de unión puede transmitir las señales nerviosas a un módulo electrónico. Con la ayuda adicional de los biosensores, se puede estudiar la función de centros nerviosos específicos [6]. El estímulo para el desarrollo de los neurosensores proviene de la búsqueda continua de sensores no intrusivos. A diferencia de los microelectrodos, los cuales pueden dañar las membranas neurales al aplicarse la succión, los neurosensores biomagnéticos de más reciente desarrollo no entran en contacto con el tejido nervioso [7].

Biosensores para el control y la vigilancia medioambiental

Una novedosa metodología para la monitorización directa de gases nocivos en el aire emplea unas sondas biológicas envueltas en un gel polimérico electrolítico, 'cableadas' a unos transductores electroquímicos. Los "microbiosensores de gases" resultantes superan el problema inherente de los sensores químicos de pérdida de resolución en mezclas complejas.

Se han desarrollado sensores de peróxido de hidrógeno ¿non fouling¿ para el uso múltiple o continuo en los sistemas de flujo. Estos sensores son más estables en los fluidos biológicos que los que utilizan superficies de platino [8]. En RCAST (Universidad de Tokio), los investigadores están ensayando el uso de sensores microbianos (MBs) para el control integrado de procesos bioquímicos. En particular, se hace posible con estos sensores la detección rápida de contaminación por materia orgánica en presencia de interferencias. Los MB también brindan una alternativa a los normalmente costosos sensores enzimáticos, y sus futuras aplicaciones dependerán de los progresos en ingeniería genética, o sea, en el diseño de microorganismos mejorados que dotarían al sensor de una mayor selectividad [9].

Es de interés particular el uso de las neuronas de ratón en cultivo para la detección de los agentes organofosfáticos nerviosos en el suelo. El método involucra la exposición de las células nerviosas a muestras de suelo contaminadas y el uso posterior de ensayos bioquímicos para determinar la concentración de moléculas específicas correspondientes a diferentes niveles de exposición en el suelo [7].

No obstante, para la evaluación de un entorno contaminado, no suele bastar la detección por sí sola. A menudo es necesaria una vasta cantidad de trabajos complementarios para detectar la transformación de las sustancias contaminantes, y para comprender y simular el impacto medioambiental global.

Biosensores para la detección y análisis de drogas

Hay una apremiante necesidad de un monitor de mano, sensible, universal para la detección rápida de trazas de las drogas de abuso más frecuentes. Esto es muy importante para la inspección no intrusiva de viajeros buscados por posesión o tráfico de drogas ilegales. La tecnología de espectrometría de movilidad iónica (IMS) ha resultado muy eficaz en la detección de drogas y explosivos en Norteamérica y en el extranjero. Sus limitaciones principales podrían ser su falta de funcionalidad, y su limitada sensibilidad en comparación con posibles aplicaciones de los biosensores.

En la actualidad, pueden utilizarse agentes detectores biológicos distintos en el desarrollo de biosensores para la detección de drogas o toxinas, tales como las proteínas receptoras, enzimas que actúan como receptores para drogas, o los anticuerpos. Un grupo de investigación del Centro de Investigación de Karlsruhe está trabajando actualmente sobre el desarrollo de biosensores para drogas a emplear en el diagnóstico clínico de urgencia (las sobredosis) y la detección de la toxicomanía (incluido el autoanálisis por el paciente). Estos dos campos precisan instrumentos de pequeñas dimensiones, rápidos y fiables que puedan utilizarse fuera del laboratorio sin formación especial. Los biosensores pueden reunir estas características. Sobre esta base se ha desarrollado ya un biosensor para salicilato y otro para teofilina, y el procedimiento se está extendiendo actualmente para incluir el paracetamol, los barbitúricos, los tranquilizantes y el alcohol [10]. Un artículo reciente describe un novedoso ensayo cromatográfico en fase líquida para la cuantificación selectiva de D9-tetrahidrocanabinol, el indicador principal de una intoxicación por canabis, en saliva [11].

Actualmente las técnicas biológicas para la detección de cocaína emplean los ensayos inmunoquímicos, la olfacción animal, los biosensores electroquímicos y los de ondas acústicas. Aunque son altamente específicos y sensibles, estos métodos dependen, para la detección y el análisis, del contacto físico con una cierta cantidad de la sustancia - aunque no sean más que trazas - depositada en la ropa, la piel o el equipaje. Un caso especial de la vigilancia del tráfico de drogas es la inspección no intrusiva del equipaje y los contenedores en aduanas. A este respecto, una tecnología desarrollada por la Marina Estadounidense está siendo ensayada en secreto por el personal de seguridad en los aeropuertos británicos en un intento de combatir el tráfico de drogas y explosivos. Dicha tecnología, a diferencia de los equipos de detección convencionales, no precisa de ninguna traza superficial de sustancia, por lo cual genera además pocas falsas alarmas. El detector emplea una técnica denominada de resonancia cuádruple (QR) mediante la cual la respuesta a pulsos de ondas de radio de baja intensidad dirigidos al interior del equipaje es analizada y luego comparada con patrones de drogas y explosivos almacenados en la memoria del detector. Esta tecnología se va a integrar en los sistemas de control de equipajes existentes [12].

Los biosensores tienen la ventaja de ser tanto rápidos como fáciles de usar, y de dar una respuesta inmediata

Tendencias en el desarrollo de los biosensores

En la actualidad la detección de glucosa para el control de la diabetes es el único mercado de gran volumen para los biosensores. No obstante, hay otros segmentos especializados de menor volumen listos para explotación en la diagnosis médica y en la industria farmacéutica y otros sectores. El área de los cuidados intensivos es prometedor, especialmente para el desarrollo de biosensores basados en el uso de enzimas y anticuerpos. Las ventajas actuales y potenciales de los biosensores sobre los métodos más clásicos de análisis incluyen la ausencia de la preparación de muestras, la rapidez de respuesta y la portatilidad (p.ej. los inmunoensayos sobre el terreno). No obstante, las muchas áreas que son aptas para el uso de los biosensores también se prestan al empleo de métodos que no utilizan biosensores. Entre estos últimos se encuentran los analizadores pequeños para laboratorio clínico, los sistemas de cromatografía en fases gaseosa y líquida portátiles, y simples indicadores del cambio de color, todos los cuales suponen una fuerte competencia para el desarrollo de los biosensores [13].

Desarrollos en la ingeniería estructural del silicio permitirán en su día la combinación de biosensores con componentes microelectrónicos ...

Durante los próximos 50 años, la ingeniería estructural del silicio puede dar lugar a aplicaciones revolucionarias. El procedimiento de construir y combinar componentes mecánicos y electrónicos en miniatura se llama MEMS, o sistemas microelectromecánicos. Los dispositivos micromecánicos dotarán a los sistemas electrónicos de la capacidad de detectar y controlar movimiento, luz, sonido, calor e incluso propiedades químicas [14].

... los minúsculos sistemas de detección resultantes podrían conllevar beneficios importantes, especialmente para el diagnóstico y la vigilancia médicos

Biosensores con componentes microelectrónicos asociados en minúsculos sistemas de detección autónomos podrán ser implantados aún en el cuerpo humano. Se posibilitará la medición del contenido de azúcar o grasas en la sangre, así como el ácido úrico. Es de suponer que también posibilitarán la determinación de hormonas y las llamadas proteínas marcadoras; éstas son sustancias que pueden señalar un estado de enfermedad en el organismo.

Dentro de unos 20 años los biosensores permitirán la monitorización continua del funcionamiento de órganos implantados, p.ej. un páncreas artificial. En términos más generales, estos instrumentos facilitarán la provisión de la asistencia sanitaria ayudando a reducir los costes del diagnóstico médico. En análisis medioambiental, las impurezas en el aire y en el agua podrán ser detectadas antes de lo que es posible actualmente [6].

La evolución de la tecnología del inmunoanálisis favorece cada vez más el uso de los biosensores, especialmente para las aplicaciones "en servicio". BIA, una tecnología de biodetección basada en la medición de interacciones biomoleculares en tiempo real, está teniendo un gran impacto en el análisis en este campo.

La microscopía de fuerza atómica (AFM) se puede usar para determinar la fuerza de interacción entre pares individuales de sistemas biológicos. La nano-biotecnología molecular es una rama de esta tecnología que está haciendo grandes progresos al crear la capacidad de sujetar, posicionar y manipular moléculas individuales en superficies. Se precisarán tales técnicas en el próximo siglo para construir nanomáquinas, sensores, microrobots y sistemas de visualización de imágenes [3].

Aplicaciones útiles, pero quizas problemáticas

Los sensores de gas múltiples serían útiles para la detección y cuantificación a bajo coste de contaminantes gaseosos en el aire. El control de procesos sencillos con emisiones gaseosas, tales como la elaboración de alimentos y el envejecimiento, o el control de los procesos de combustión también serían buenos candidatos para estos sistemas.

En el diagnóstico médico, los biosensores ya pueden anticipar los infartos, y podrían ayudar a identificar a priori la propensión al cáncer mediante un análisis regular de los órganos expuestos (los pulmones, el hígado...). Esto amplía enormemente el ámbito de aplicación en medicina preventiva.

En el campo de la bioremediación, sensores múltiples altamente innovadores ayudarán a afrontar dos retos importantes: primero, el desarrollo de un sistema de vigilancia continua, automático que pueda montarse en un sitio específico (suelo, agua superficial/subterránea) y transmitir datos a una estación central; segundo, el desarrollo de una sonda de cribado desechable y un sencillo instrumento de bolsillo para mediciones directas sobre el terreno. Los contaminantes objetivo de esta aplicación abarcan desde los pesticidas, los hidrocarburos, los iones metálicos pesados y las bacterias, hasta toxinas tales como los bifenilos policlorados (PCB). Además, los organofosfatos se encuentran no sólo en los pesticidas sino también en los agentes de guerra química, y el análisis con neurosensores podría ayudar a vigilar el uso y el abuso de estos compuestos potencialmente mortíferos.

El uso de los biosensores plantea cuestiones importantes tocantes a la libertad y la intimidad personales

La otra cara de la moneda sería la puesta a disposición del público de un laboratorio altamente sofisticado. Sería posible vigilar y/o examinar un individuo de varias formas, con su consentimiento o sin él. Los biosensores harán posible la identificación de un conductor que ha estado consumiendo canabis u otras drogas, a partir de una pequeña muestra de saliva; pero también podrán indicar si un empleado de oficina o un cliente al entrar en una tienda ha estado bebiendo, e incluso la cantidad ingerida, o si tiene otros hábitos dietéticos que no cuenten con la aprobación de la dirección. Los biosensores permitirán la vigilancia continua de personas que tienen enfermedades críticas, o que padecen estrés; pero esta capacidad podría extenderse fácilmente para incluir fines otros que la vigilancia médica, por ejemplo para el reclutamiento de personal. Evidentemente surgen cuestiones relacionadas con la agresión al derecho de intimidad. Es más, esta disponibilidad de pruebas múltiples es susceptible de manipulación por las compañías de seguros. Por lo tanto a los individuos se les debe garantizar el derecho de limitar el acceso por terceros a sus datos privados y confidenciales.

En resumen, en los decenios venideros, un creciente mercado para sistemas de bajo coste incorporando minúsculos componentes mecánicos, electrónicos y biológicos puede repercutir de forma impresionante en la sociedad en la dotación de servicios mejorados de seguridad y asistencia sanitaria. En la vigilancia medioambiental (el control de las impurezas en el aire, el agua y el suelo), la industria alimentaria (el control de calidad, la eliminación de fraudes) y en otras áreas de detección todavía no contempladas, puede ser necesaria una normativa nueva para llevar el mismo paso que el desarrollo de sensores cada vez más sofisticados. No obstante, estos avances conllevan el riesgo de efectos negativos como consecuencia del abuso de tales técnicas en manos de personas inadecuadas, o incluso de usuarios autorizados si las aplican a rajatabla sin respeto del derecho a la intimidad personal.

Frases clave

biosensor, asistencia sanitaria, industria alimentaria, medio ambiente, toxicomanía, ética