Biosensores, vida y salud

El avance científico de un sensor, es decir, un dispositivo o equipo que permite la obtención de información, aplicado a los sistemas relacionados con la vida, ha dado origen al biosensor, de tal forma que actualmente se le conoce como un instrumento de medición de parámetros biológicos y químicos que atañen a los seres vivos con un componente biológico y otro físico-químico.

Para efectos de aplicación, un biosensor requiere de varias partes unidas entre sí. Entre ellas se cuenta el receptor biológico propiamente dicho, de donde se obtiene la información buscada, además de algunos elementos de los seres vivos como un tejido, un cultivo de microorganismos, sustancias del cuerpo humano como el ADN, células, enzimas, sustancias que forman parte de la circulación sanguínea, o bien, que se encuentran en la naturaleza o en un proceso de biología sintética.

El transductor o sensor ofrece información obtenida a través de las señales del receptor biológico, las cuales asocia a los otros dos componentes para crear una forma de clasificarla, cuantificarla y observarla. El detector utiliza una técnica mediante la cual hace patente un fenómeno biológico habitualmente oculto, ya sea por métodos térmicos, magnéticos, ópticos, electroquímicos, mecánicos, acústicos, etcétera.

Estos dispositivos tienen dos características, la sensibilidad y la selectividad, ya que unen dos tipos distintos de ambientes para obtener la información deseada, el «en vivo» y el inerte. Una definición actualmente aceptada considera que el biosensor es una herramienta o sistema analítico compuesto por un material biológico inmovilizado, que está en íntimo contacto con un sistema transductor que convierte la señal bioquímica en una señal eléctrica cuantificable.

¿CÓMO SE INVENTARON?

La necesidad de obtener seguridad en lo referente a las afecciones que aquejan a los seres humanos, dio origen a la búsqueda de mediciones de sustancias en el organismo que fuesen rápidas, confiables y de bajo costo, de tal forma que el paciente pudiera adoptar las medidas necesarias para enfrentar contingencias de salud en cualquier momento. Esta búsqueda de procedimientos está creciendo en todo el mundo gracias a los resultados obtenidos.

De forma anecdótica, se dice que los canarios que detectaban gases tóxicos en las minas, fueron los primeros émulos de biosensores. En 1962, surgió este concepto gracias a los trabajos de Leland C. Clark Jr., que trabajó en ellos desde 1956. Él junto con Lyon, construyó el primer sensor en su investigación sobre la detección rápida y confiable del nivel de glucosa sanguínea que se comercializó en 1975.

Divis sugirió utilizar bacterias como elemento biológico en los biosensores para medir la cantidad de alcohol en una muestra. Un año antes, se usaron transductores térmicos y los termistores enzimáticos. Posteriormente, aparecieron los biosensores basados en fibra óptica, que son los «optados» para determinar el nivel de CO2 y O2. La evolución de los biosensores de tipo electroquímico fue revisada por Carr y Bowers, y otros autores.

Más tarde, aparecieron los biosensores conductimétricos y los redox. Durante los últimos años, se ha intentado producir un biosensor electroquímico miniaturizado, utilizando dispositivos electrónicos convencionales llamados transistores de efecto de campo, sin embargo, aún se requiere un mayor desarrollo. En los años setenta, aparecieron los biosensores tipo termistor, y alrededor de 1980 Lowe introdujo el biosensor optoelectrónico.

Actualmente, hay una nueva generación de biosensores denominados MIPS (polímeros que contienen memoria molecular impresa). En la década de los setenta, se intentaron construir inmunosensores y durante los ochenta, Liedberg empezó a comercializarlos. En 1987, se construyó un «bolígrafo» para el seguimiento personal de la glucosa en la sangre, que ha desbancado a los métodos tradicionales de su medición.

ANÁLISIS EN TIEMPO REAL

Para realizar el análisis de cualquier fenómeno biológico o clínico, se requiere un elemento que lo señale para que pueda ser detectado. Este elemento es denominado «marcador» y emplea diversos métodos como la radiación, la colorimetría, la fluorescencia, entre otros; es decir, se trata de un proceso de laboratorio que no arroja resultados al momento de llevar a cabo el estudio y, por ello, no puede decirse que se realice en tiempo real.

En cambio, los biosensores no requieren ningún tipo de marcador, así que resultan bastante atractivos, pues realizan el análisis de la sustancia en forma directa y tiempo real, razón por la cual se les confiere no sólo la posibilidad de un análisis cualitativo y cuantitativo, sino la posibilidad de evaluar el movimiento y velocidad de la reacción o cinética de la interacción y, por tanto, de revelar los mecanismos fundamentales de esa interacción.

Se ha desarrollado una gran diversidad de biosensores con variados mecanismos físico-químicos de transducción, para traducir la interacción biológica en una señal cuantificable y útil para el interesado. Combinar las capas receptoras o receptor biológico con los transductores, ha dado paso a una gran variedad de biosensores.

¿CÓMO SE UTILIZAN?

Los biosensores pueden ser utilizados en el análisis clínico, terapéutico, veterinaria, agricultura, monitorización de procesos industriales y control de polución y medio ambiente.

En el área médica, pueden ser de utilidad como apoyo en el laboratorio de bioquímica clínica para determinar glucosa y ácido láctico, por ejemplo. Monitorizan fuera de las horas de visita médica y actualizan constantemente el estado de un paciente en enfermedades como cáncer y con sustancias que deben controlarse como glucosa, antígenos, anticuerpos, colesterol y una lista indeterminada, mejorando la eficacia de los cuidados al paciente y sustituyendo los estudios lentos y laboriosos, además de facilitar una rápida toma de decisiones médicas.

Hay campos como el de la veterinaria, agricultura y alimentación (que en algunos casos ni siquiera cuentan con los clásicos estudios convencionales), que han tenido éxito en el control de la fertilidad y de enfermedades infecciosas en los animales. Lo mismo se observa en la industria de la leche, frutas y verduras, con los diagnósticos virales y de presencia de hongos; contaminación y toxinas de los alimentos, como el caso de la salmonella; mejora en la producción y calidad de las fermentaciones, como la alcohólica; y en el campo del control de las poluciones.

¿QUIÉNES PUEDEN UTILIZARLOS?

Dadas las propiedades ideales que deben poseer los biosensores, como son el ser específico, discriminante, reproducible, preciso, seguro, exacto, de sensibilidad adecuada, de respuesta rápida, «miniaturizable», de uso de pequeños volúmenes de medida, independiente de la temperatura, barato para producir, fiable, medible, con bajo mantenimiento, entre otras cosas que aún no han sido logradas.

Los biosensores pueden ser utilizados por todo tipo de personal de cada campo de aplicación, que cuenten con un entrenamiento sencillo y de corta duración. También, debido a que no son laboriosos ni complicados, y que no requieren mucho tiempo ni personal calificado, se encuentran al alcance de todo trabajador del campo de aplicación.

A estas bondades se suma el hecho de que se pueden obtener medidas directas, continuas, rápidas y de alta sensibilidad. Asimismo, la ventaja de ser equipos de tamaño pequeño y portabilidad, les otorga la posibilidad de funcionar en cualquier lugar, es decir, tanto en un consultorio, casa, o hasta en el mismo sitio de la necesidad a atender.

FUNCIONES Y APLICACIONES

Se les considera como los guardianes modernos de la salud, y su función es reemplazar o complementar toda una época de investigación de estudios y análisis de tipo convencional, que tienen características distintas y contrarias a los biosensores, con el fin de hacerlos prácticos, sencillos y confiables.

Las áreas de interés y necesidad que han desarrollado biosensores van desde los campos de diagnóstico clínico, control de procesos industriales, instrumental médico, campo de veterinaria y agrícola, defensa, medio ambiente, investigación, robótica y otros. Su aplicación ha dado la ventajosa oportunidad de resolver problemas y prever repercusiones en esos campos; por ello, está creciendo y es un tema de desarrollo potencial presente y futuro.

Hay tal diversidad de funciones y especificidad de los biosensores en el medio ambiente, seguridad ciudadana, agroalimentación y biomedicina, que se puede mencionar el proyecto europeo en el campo medioambiental, en el que se han diseñado productos para el análisis de parámetros de calidad del agua en forma automática, rápida y de bajo costo, denominado WOLA (Water On-Line Analysis Europe).

También se puede hablar de las populares aplicaciones en el campo de la polución ambiental, o la ya conocida detección de glucosa sanguínea circulante, propia de la monitorización de la enfermedad diabética. Además, se deben mencionar los estudios sobre detectores cancerígenos, detectores de drogas, para evaluación de vinos, etcétera.

BIOSENSORES PARA DIABÉTICOS

La historia de los biosensores se inició con la necesidad de la frecuente determinación de la glucosa en la sangre, estudio que requieren los enfermos diabéticos. Éste es el biosensor más exitoso y difundido hasta ahora en el mundo, y ha tenido mejoras progresivamente. Se trata de un dispositivo pequeño que reconoce a una enzima denominada glucosa oxidasa. Un paciente puede depositar una pequeña gota de su sangre en una tira diseñada y conocer el nivel de su glucosa al momento con un consecutivo programa que le han asignado para las variaciones que encuentre, y para controlar su dieta y medicación.

Actualmente ya se trabaja con biosensores implantados en los diabéticos tipo I (popularmente llamados juveniles), al colocar debajo de la piel del abdomen una delgada cánula conectada a un aparato portátil, el cual monitorea y registra permanentemente los niveles de glucosa que pueden variar en el día.

Este aspecto es de gran utilidad para las dosis convenientes de insulina que necesita el paciente, y para evitar el problema de la sobredosis y sus graves consecuencias de hipoglucemia, que es la baja de glucosa en la sangre por insulina. Este dispositivo aún requiere de experiencia clínica para llegar a convertirse en un «páncreas electrónico».

BIOSENSORES Y CONTAMINACIÓN

Medir las sustancias contaminantes del ambiente en campo sin necesidad de enviar una muestra al laboratorio, es una realidad. También hay biosensores conectados a una alarma que anuncia cuando una fábrica está excediendo el límite de emisión de contaminantes ambientales, ayudando a frenar tal emisión.

Hay una especial atención en la detección de la contaminación y modificación de alimentos que puedan llegar a afectar la salud. Al alertar al sistema sobre alguna anormalidad, ésta puede ser revertida de inmediato. En Alemania, existen productos con chip que anuncian cuando se ha cortado la cadena de frío que requieren para su conservación.

Actualmente, se diseñan biosensores para reconocer «microtoxinas» o salmonella; casos de la llamada «vaca loca»; plantas transgénicas o modificadas genéticamente, de tal forma que se puedan evaluar los efectos en la salud.

Todos los biosensores han servido para tomar acciones rápidas e inmediatas ante la contingencia, y frenar, reducir o suspender a tiempo los mecanismos que producen la alerta, previendo todas sus consecuencias.

OTRAS PARTICULARIDADES

En la actualidad, hay una gran variedad de aplicaciones de los biosensores. En el campo de la biomedicina, existen como apoyo en el control de los metabolitos, que son críticos durante las intervenciones quirúrgicas; en los servicios de consulta y urgencias, previenen análisis caros y lentos, y aceleran el diagnóstico para iniciar el tratamiento.

Además, hay ensayos de embarazo y control de glucosa en diabéticos, que se elaboran en área doméstica; aplicaciones en vivo en el páncreas artificial, y corrección de niveles de metabolitos.

En el campo de aplicaciones industriales, militares y medio ambientales, se utilizan en la alimentación (por ejemplo en la determinación de la frescura del pescado), cosmética, control de fermentaciones, calidad, detección de explosivos y gases que atacan al sistema nervioso, así como en el control de la polución. También se han diseñado para la detección de los restos de herbicidas, a fin de que no lleguen a los alimentos.

Todo lo anterior es prueba de que se acerca una revolucionaria forma de preservar la vida y la salud. La necesidad de adaptarse al nuevo control de enfermedades, la detección anticipada de las consecuencias que pueda provocar el consumo de ciertos alimentos y la exposición a un medio ambiente contaminado, será cubierta por métodos sencillos, cómodos, baratos y rápidos, que ayudarán al control de las afecciones en contra de la salud y de la vida.

Correo-e: judekan05@hotmail.com