La curiosidad nunca mató al científico

Entradas etiquetadas como ‘Carnaval de Química’

La miel, fuente de energía y química

Llevar una dieta equilibrada, conocer los alimentos que comemos, saber cuando la publicidad nos engaña y, en definitiva, comer sin miedo y con conocimiento, son facetas que todo buen experto en nutrición debería entender. Nunca es tarde para aprender sobre nutrición ya que es un tema al que vamos a tener que recurrir durante toda nuestra vida. Pero vamos al asunto del post que no es otro que hablar sobre uno de los alimentos que no faltan en mi desayuno de cada día: la miel.

Miel, todo química

La miel es una disolución acuosa viscosa con un alto contenido en azúcares. Se compone aproximadamente de 40% de fructosa, 30% de glucosa, 20% de agua y pequeñas cantidades de otros carbohidratos como sacarosa, maltosa, y cantidades traza de vitaminas, aminoácidos, proteínas y otros nutrientes como diferentes flavonoides. Este contenido aproximado puede variar dependiendo del tipo de plantas que hayan visitado las abejas productoras. Una propiedad interesante de la miel es que debido a su bajo contenido en agua, posee un poder hidrofílico muy alto, por lo que será capaz de absorber agua fácilmente. Por eso, es muy difícil que en la miel se desarrollen bacterias ya que es capaz de matarlas tras absorber el agua que poseen, y de ahí viene el gran poder conservante que tiene: se puede almacenar durante años sin ponerse mala. Obviamente, las abejas no fabrican miel para que el ser humano la consuma, sino que su principal objetivo es utilizarla como su propio alimento.

Producción de miel por las abejas

Aunque la producción de miel por parte de las abejas ha sido extensamente estudiada todavía no se conocen todos los detalles de esta increíble y laboriosa producción. Si comenzamos por el principio, la materia prima esencial para la producción de miel es el néctar de las flores. Este néctar es otra disolución acuosa que contiene azúcares como sacarosa, glucosa y fructosa, aminoácidos como alanina, arginina, serina, prolina, glicina, isoleucina, treonina y valina, minerales y varias sustancias químicas más. Es producido por las flores para atraer a, principalmente, insectos y que realicen la función de polinización. El néctar contiene alrededor de un 80% de agua, por lo que el mayor trabajo que tienen las abejas es la reducción de este agua hasta llegar al 20% que la miel presenta.

Aunque el néctar es el principal componente en la producción de la miel, también participan otras sustancias como la savia de las plantas o la propia saliva de las abejas. El proceso de fabricación de la miel es bastante complejo y en el que colaboran una gran cantidad de abejas. Desde el momento que una abeja obtiene el néctar de un flor ya se está empezando a realizar el proceso, ya que la primera abeja lo traga y se va mezclando con enzimas dentro de su organismo. Cuando llena el buche, la abeja vuelve a la colmena, y en ese momento, reparte todo ese néctar a las abejas obreras que se encuentran allí para volver a salir en busca de más cantidad de néctar. Para rebajar la cantidad de agua, las abejas van pasándoselo unas a otras de manera continua, evaporando el agua y enriqueciéndolo con ciertas enzimas que van generando. Este proceso se repite durante cientos o miles de veces y podría llegar a durar días, dependiendo de la humedad y temperatura ambiente, hasta que el porcentaje de agua está en el 20%. En ese momento, las abejas depositan el néctar concentrado en el panal, recubriendo las celdillas con una capa de cera para su almacenamiento. Ya tenemos lista la miel para su recolección.

He indicado que ciertas enzimas juegan un papel importante en la transformación del néctar hasta convertirse en miel. Las funciones de estas enzimas son las de deshidratar, transformar la composición química y modificar el pH. El tipo de enzimas más importante son las invertasas, como la sacarasa. Esta enzima es capaz de convertir la sacarosa en sus dos carbohidratos más simples: glucosa y fructosa, haciendo que la miel esté muy concentrada en glucosa y fructosa, con una cantidad significativamente menor de sacarosa.

Reacción química enzimática miel en abejas

¿Pero la miel no es producida a partir del polen de las flores?

Pues como se ha explicado, la miel es producida a partir del néctar de las flores no del polen. El polen es un sólido particulado, parte del aparato reproductor, que es vital para el proceso de reproducción de algunas plantas. Las abejas y otros insectos juegan un papel muy importante en el proceso de polinización, ya que transportan estas partículas adheridas al cuerpo desde una planta a otra donde puede ocurrir la germinación para producir las semillas. Por otra parte, puede ser también utilizado como alimento (especialmente para las larvas) ya que las abejas son capaces de digerirlo tras un proceso de fermentación para formar pan de abeja, pero el polen no juega un papel en la producción de miel.

Hay que ser conscientes de que todos los alimentos que consumimos presentan una gran cantidad de sustancias químicas y su elaboración ya sea de forma natural o sintética ha sido posible gracias a una gran cantidad de reacciones químicas.

Referencias

  • S. W. Nicolson, Bee food: the chemistry and nutritional value of nectar, pollen and mixtures of the two, African Zoology, 46(2), 2011.
  • RE. Huber, RD. Mathison, Physical, chemical, and enzymatic studies on the major sucrase of honey bees (Apis mellifera), Can J Biochem, 54(2), 1976.
Este post participa en la XXXI Edición del Carnaval de la Química que se celebra en ZTFNews.
 

Aplicaciones del grafeno: sensores químicos

En 2004, K. Novoselov y A. Geim aislaron por primera vez grafeno tras hacer un curioso experimento. Aplicaron un trozo de cinta adhesiva a una muestra de grafito y estudiaron el material que quedaba pegado sobre la cinta. Descubrieron que había algunas monocapas de grafito sobre la cinta, un nuevo material que no había sido aislado anteriormente, el grafeno. A veces, experimentos rudimentarios hacen avanzar mucho a la ciencia.

Estructura del grafeno

El grafeno es una especie de carbono, como el grafito o el diamante, cuya estructura consiste en una lámina de átomos de carbono que están formando una red cristalina con forma de panal. Esta estructura presenta un grosor de un átomo de carbono. Desde su descubrimiento, este material ha recibido un especial interés debido a sus excepcionales propiedades:

  • Características electrónicas únicas: gran conductor de electricidad.
  • Alta conductividad térmica.
  • Excelentes propiedades mecánicas; más ligero, fuerte, duro y flexible que el acero.
  • Alta biocompatibilidad.

Por estas y otras propiedades, las aplicaciones del grafeno pueden ser muy variadas, por ejemplo como material en circuitos electrónicos integrados, células solares, y también en sensores químicos.

Hay diferentes especies de grafeno, como pueden ser el grafeno puro, el óxido de grafeno, o el óxido de grafeno reducido, los dos últimos poseen algunos grupos funcionales que tienen oxígeno en la estructura. Estos grupos funcionales les hace tener más reactividad pero sus propiedades son muy parecidas al grafeno puro.

Un sensor químico se puede definir como un dispositivo que transforma información química en una señal analítica útil. Consta, principalmente, de dos partes: un receptor, que proporciona el reconocimiento de la sustancia a analizar, y un transductor, que convierte la señal química obtenida de la sustancia en una señal medible por un instrumento. Si el elemento de reconocimiento es un reactivo biológico, se trata de un biosensor.

Esquema sensor químico

Existen muchísimos ejemplos de sensores y biosensores químicos donde se utiliza grafeno, en alguna de sus formas, para el análisis de diferentes sustancias químicas de interés, dos de estos ejemplos son:

  • Detección de células cancerígenas mediante un aptasensor, sensor que utiliza hebras de ADN como elemento de reconocimiento. Estas hebras de ADN se utilizan para capturar las células cancerígenas a la superficie del sensor, y de esa manera solamente se detecta este tipo de células. La superficie del sensor está hecha de óxido de grafeno reducido, y las medidas se realizan mediante impedancia electroquímica.

Aptasensor impedimétrico con grafeno para detectar células cancerígenas

  • Detección de bacterias o virus mediante un sensor óptico con óxido de grafeno. Los quantum dots tienen propiedades fluorescentes, pero al interaccionar con el óxido de grafeno, su fluorescencia disminuye. Por tanto, si el ensayo es positivo y hay reacción con la sustancia a detectar, los quantum dots no se unen al óxido de grafeno y la fluorescencia será alta. Y al contrario el ensayo es negativo, se unirán y la fluorescencia será baja. De esta manera se puede cuantificar bacterias o virus en una muestra a partir de la detección de su ADN con este sensor.

Sensor óptico con grafeno y quantum dots

Los sensores químicos desarrollados con grafeno presentan ciertas ventajas gracias al uso de este material como:

  • alta adsorción de sustancias por lo que se produce una preconcentración y se mejora la sensibilidad
  • bajo ruido eléctrico en los sensores electroquímicos, lo que mejora la relación señal/ruido
  • respuesta sensora alta
  • poder catalítico elevado, lo que hace mejorar la selectividad en sensores electroquímicos

Por tanto, el uso de grafeno en sensores y biosensores químicos es bastante elevado por estas ventajas, aunque a veces no sea el material que mejor funcione, como en uno de mis trabajos.

Seguramente el grafeno y sus derivados se usarán en muchas aplicaciones del día a día en el futuro, y todo gracias a un experimento que parecía no tener importancia.

ResearchBlogging.orgKochmann, S., Hirsch, T., & Wolfbeis, O. (2012). Graphenes in chemical sensors and biosensors TrAC Trends in Analytical Chemistry, 39, 87-113 DOI: 10.1016/j.trac.2012.06.004

Este post participa en la XX Edición del Carnaval de la Química que durante este mes se aloja en el blog La Ciencia de Amara de bioamara.

Un nuevo paso hacia el humano sensórico: los sensores químicos vestibles

De nuevo les traigo más noticias sobre el humano sensórico del que hablaba en el artículo sobre los biosensores implantables. Y es que es un tema en el que se está investigando mucho y tendremos resultados muy pronto. Hace unos años nadie pensaba que íbamos a llevar tantos sensores con nosotros, y ahora cualquier teléfono inteligente tiene varios, como el GPS, de luminosidad o el sensor magnético, todos ellos sensores físicos. El próximo paso estará en llevar con nosotros sensores químicos, sensores químicos vestibles.

Los últimos avances en sensores electroquímicos nos llevan a novedosas metodologías de fabricación  y mejoras en las técnicas de análisis que posicionan a los sensores electroquímicos en la primera posición para ser los próximos sensores vestibles. Estos sensores son capaces de ofrecer información sobre diferentes factores en tiempo real, con especial relevancia, información sobre la salud de la persona que lleva el sensor, pero también información sobre el entorno, como la contaminación que le rodea o si existe alguna clase de peligro químico.

El primer cambio importante a considerar en cuanto a los sensores electroquímicos convencionales consiste en los diferentes sustratos en los que estos sensores se imprimen. Para que puedan ser llevados por los usuarios, los sustratos tienen que ser flexibles, ya que tanto nuestro cuerpo como la ropa que llevamos no poseen una conformación plana ni rígida. Por tanto, los sensores vestibles deben funcionar correctamente incluso en condiciones de deformación o movimiento, a la vez que estos sensores deben tener una especial robustez.

La versatilidad de las técnicas de fabricación de películas gruesas permite la realización de diferentes geometrías de los electrodos que pueden satisfacer los requerimientos de los dispositivos vestibles. Entre las tecnologías para hacer estos dispositivos se encuentran el serigrafiado (screen-printing) y la transferencia por sello (stamp transfer). La segunda es una alternativa que puede ser utilizada en superficies no planas, característica que no cumple el serigrafiado. Las tintas que se utilizan en estas tecnologías pueden ser de diferentes materiales, como carbono, oro o platino y pueden estar modificadas con otras sustancias que permitan una alta selectividad en el análisis de diferentes componentes, como por ejemplo, enzimas.

Técnica del stamp transfer para fabricación de sensores electroquímicos

Técnica del stamp transfer para fabricación de sensores electroquímicos

Entre los principales materiales que se utilizan para el desarrollo de sensores electroquímicos flexibles se encuentran las poliimidas, el naftalato de polietileno, el tereftalato de polietileno y el Teflón. Estos materiales permiten que los sensores funcionen correctamente incluso encontrándose deformados con un radio de curvatura extremadamente pequeño.

Sensores electroquímicos flexibles

Sensores electroquímicos flexibles

Algunas de las sustancias analizadas correctamente hasta ahora con estos sensores flexibles son ferrocianuro, trinitrotolueno (TNT), nitronaftaleno (NN), e incluso se han desarrollado biosensores de glucosa flexibles. Dentro de esta categoría de sensores destaca un biosensor flexible desarrollado por el grupo de Wang et al. para su inserción en el conducto lacrimal y monitorizar diferentes biomarcadores como norepinefrina, dopamina y glucosa en las lágrimas.

Por tanto, se ha demostrado que estos sensores flexibles son una buena opción para convertirse en sensores vestibles ya que no tienen un funcionamiento diferente cuando están sometidos a deformación o tensión mecánica.

Dentro del grupo de los sensores vestibles destacan, pues, los sensores que pueden ser llevados en la ropa, teniendo como sustrato diferentes materiales textiles. Los sensores que se disponen en estos materiales también tienen que sobrevivir a deformaciones, incluyendo estiramientos. Otra de las características ideales de estos sensores es que no deben influir en la rutina diaria del usuario.

Estos sensores permiten el análisis de sustancias que se encuentran en la transpiración o el sudor. Dentro de este conjunto de sensores se han desarrollado unos calzoncillos con electrodos de carbono que permiten obtener información fisiológica del usuario. Los calzoncillos poseen un contacto íntimo (nunca mejor dicho) con la piel y por tanto, permite la monitorización de diferentes sustancias del organismo con el paradigma de llévalos-y-olvídate. Por tanto estos calzoncillos con sensores electroquímicos son un ejemplo importante de lo que nos podemos encontrar en la ropa del futuro.

Calzoncillos sensóricos

Calzoncillos con electrodos de carbono y su respuesta al NADH

No necesariamente estos sensores llevados en la ropa sólo pueden servir para determinar sustancias fisiológicas, sino que podrían usarse para analizar el entorno del usuario en materia de seguridad. Dentro de este grupo, se ha desarrollado un sensor sobre Gore-TEX que permite la detección de explosivos como el 2,4-dinitrotolueno (DNT) y el TNT, tanto en fase líquida como fase gaseosa.

Sensor vestible sobre Gore-TEX

Sensor vestible sobre Gore-TEX

Ropa sumergible fueron otras de las prendas en las que se ha implementado un sensor vestible, en este caso el material es neopreno. Además, este sensor fue integrado con un potenciostato encapsulado, con lo que permite tener una indicación en tiempo real si determinados contaminantes del agua están por encima de un nivel. Esta prenda podría ser usada por buceadores o surferos que sean alarmados si el agua en el que se encuentran presenta peligro para la salud.

Sistema electrónico del sensor sobre neopreno

Sistema electrónico del sensor sobre neopreno

Un paso más de integración de los sensores con el organismo son los sensores “tatuables, los cuales se transfieren a la piel como si fueran tatuajes temporales.

Sensores electroquímicos tatuables

Diferentes estilos de sensores electroquímicos tatuables

El análisis de sustancias químicas que se encuentren en la superficie de la piel puede proporcionar información relevante sobre la salud del usuario y su exposición a diferentes contaminantes que residan en su entorno local. Estos sensores tatuables han sido utilizados para la detección de sustancias fisiológicas como ácido ascórbico (vitamina C) y ácido úrico, y también para la detección de TNT en el ambiente. Asimismo, tras el lavado de la piel con jabón, el sensor funciona sin problemas.

Incluso con el progreso que se ha conseguido en el campo de los sensores vestibles, la integración de la electrónica, la fuente de energía y la habilidad para comunicarse mediante tecnología wireless siguen siendo los mayores retos que se han de afrontar para que la implantación en la sociedad de estos dispositivos pueda ser una realidad. Mucho trabajo queda por hacer para mejorar las capacidades de estos dispositivos y que los usuarios puedan recibir el estado de su salud en tiempo real directamente en su ordenador o teléfono móvil.

Continuando con la innovación y consiguiendo eliminar estas barreras tecnológicas, los sensores electroquímicos vestibles jugarán un papel muy importante en el futuro hombre sensórico.

Este post participa en la XVII Edición del Carnaval de Química, alojado en el blog Un Geólogo en apuros

ResearchBlogging.orgJoshua Ray Windmiller, & Joseph Wang (2012). Wearable Electrochemical Sensors and Biosensors: A Review Electroanalysis, 24 DOI: 10.1002/elan.201200349

Simulando los sentidos mediante el análisis químico

Desde el mundo de la ciencia y la tecnología siempre se ha intentado imitar al cuerpo humano mediante diferentes tecnologías. También es el caso en la Química Analítica, donde ha habido una tendencia a desarrollar metodologías que imitan a los diferentes sentidos para el análisis de compuestos químicos. Así se han elaborado sistemas para emular el sentido del olfato y analizar determinados productos mediante el olor que despiden, ya que ese olor proviene, como todo, de sustancias químicas.

Uno de los últimos sentidos en intentar ser simulados es el sentido del gusto, mediante el desarrollo de lenguas electrónicas. Existen diferentes intentos para la creación de lenguas electrónicas que puedan analizar sustancias mediante métodos electroquímicos como potenciometría o voltamperometría.

Una de las lenguas electrónicas recientemente desarrolladas se basa en la espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS). El sistema consiste básicamente en cuatro elementos principales:

  • ordenador personal con puerto USB
  • chip electrónico de audio TI PCM2900B conectado por USB al ordenador
  • celda electroquímica con electrodo de trabajo de disco de oro y electrodo auxiliar de platino
  • interfase electrónica entre la celda electroquímica y el chip de audio

El funcionamiento básico del análisis consiste en la aplicación de una señal de excitación a la disolución que interaccionará de diferente manera según las sustancias que se encuentren en la disolución y por tanto, emitirá una señal diferente para cada caso analizado. El sistema realiza diferentes transformaciones para obtener una señal de salida en forma de impedancia. Las señales de impedancia obtenidas son tratadas mediante un análisis estadístico de componentes principales y de máquinas de vectores de soporte para su clasificación por patrones.

Prototipo de lengua electrónica

Prototipo de lengua electrónica

Se comprobó el funcionamiento de este sistema mediante el análisis de diversas muestras, más o menos complejas. En primer lugar, fueron analizadas diferentes concentraciones de disoluciones en agua destilada de HCl, NaCl, MgCl2 y sacarosa, imitando diferentes sabores: ácido, salado, amargo y dulce. A continuación, se analizaron muestras de diferentes aguas comerciales y de grifo. Y por último, se analizaron diferentes variedades de té.

Tras el análisis clasificatorio de las diferentes muestras se llega a una capacidad de clasificación correcta del 94.6 % para las disoluciones simples de sabores, del 97.5 % para los diferentes tipos de agua, y del 86.3 % para las muestras de té.

Análisis clasificatorio de diferentes tipos de agua

Análisis clasificatorio de diferentes tipos de agua

El instrumento desarrollado en este trabajo permite la clasificación de diferentes muestras de una manera fácil y rápida. Está claro que debe mejorar en diferentes aspectos para llegar a ser un instrumento comercial, pero podría tener una aplicación interesante en control de calidad de diferentes muestras, o incluso en análisis forense.

ResearchBlogging.orgRitesh Kumar, Amol P. Bhondekar, Rishemjit Kaur, Saru Vig, Anupma Sharma, & Pawan Kapur (2013). A simple electronic tongue Sensors & Actuator B: Chemical, 171-172, 1046-1053 DOI: 10.1016/j.snb.2012.06.031

Este post participa en la XVII Edición del Carnaval de Química, alojado en el blog Un Geólogo en apuros

El análisis forense cada vez más cerca de CSI

Sin lugar a dudas CSI ha sido una serie en la que se ha puesto sobre la mesa la importancia que tiene el análisis químico dentro de la ciencia forense.

Dentro del análisis forense tiene una gran importancia conocer si un individuo ha disparado un arma o no, es decir, la identificación de los residuos de un disparo de un arma. Se puede entender que lo ideal sería poseer un método de análisis que sea rápido, fácil, fiable y que pueda utilizarse incluso en el lugar del crimen. En este tipo de análisis un paso crucial es la recolección de la muestra.

El gran Joseph Wang y sus colaboradores han desarrollado un método muy efectivo para este tipo de análisis que posee unas características que lo hacen muy prometedor para su uso en el análisis forense del futuro.

El novedoso protocolo “swipe and scan” desarrollado por estos investigadores consiste en una inicial transferencia mecánica de los residuos de la mano del sospechoso directamente a la superficie de un electrodo serigrafiado. Tras esta transferencia de material, se añade una gota de una disolución sobre el electrodo y se realiza un análisis voltamperométrico de varios metales que existen en el residuo de las armas como son plomo, antimonio y cobre. Solamente se necesita un sistema potenciostático (cada vez más miniaturizados) y un sistema electrónico de obtención de datos, que puede ser un dispositivo móvil, y por tanto el instrumento completo es de un pequeño tamaño y fácilmente portable. Este análisis completo desde la obtención de la muestra hasta la obtención del resultado se lleva a cabo en pocos minutos.

Método Swipe and scan

Tras el disparo de la pistola con una mano, restos metálicos, especialmente plomo y cobre, quedan depositados sobre la mano del individuo que ha disparado. Por tanto, la señal electroquímica medida con la técnica voltamperométrica de redisolución aumentará en gran medida tras el traspaso de los restos del disparo al electrodo de trabajo.

Señal positiva y señal negativa

Otros de los resultados obtenidos son un aumento en los niveles metálicos en individuos cercanos al individuo que ha disparado pero que no han estado en contacto con el arma, o en los individuos que se han lavado las manos tras haber disparado.

Señales de control

C1: blanco, C2: individuo cercano, F: individuo que ha disparado

Es una metodología prometedora pero que todavía necesita algún refinamiento, por ejemplo para evitar falsos positivos de individuos que están en contacto laboralmente con metales como plomo y cobre. Otras mejoras pueden venir en analizar diferentes sustancias de los residuos y así hacer un mapa completo de diferentes armas, y quizás poder identificar incluso el arma con la que se ha disparado.

Como siempre Wang sigue desarrollando novedosas pero muy simples tecnologías para resolver problemas que nos encontramos día a día. Tecnologías baratas, simples pero muy útiles. Esto sí que es innovación.

El análisis químico cada vez se acerca más a la ficción de CSI, es decir, tomar la muestra, analizar y en cinco minutos tener los resultados.

ResearchBlogging.orgAoife M. O’Mahony, Joshua R. Windmiller, Izabela A. Samek, Amay Jairaj Bandodkar, & Joseph Wang (2012). “Swipe and Scan”: Integration of sampling and analysis of gunshot metal residues at screen-printed electrodes Electrochemistry Communications, 23, 52-55 DOI: 10.1016/j.elecom.2012.07.004

 

Este post participa en la XVII Edición del Carnaval de Química, alojado en el blog Un Geólogo en apuros

El control de la salud en el futuro: humanos “sensóricos”

Imagínense por un instante como serán los humanos del futuro.

Seguro que más de uno han pensado que estarán llenos de elementos sensores tanto dentro del organismo como en los accesorios que utilizarán (ropa, relojes, teléfonos, etc.). Estos sensores serán capaces de medir diferentes propiedades como la temperatura y a partir de ese dato realizar acciones como enfriar la ropa si hace calor o algo similar.

El humano “sensórico” del futuro probablemente también posea sensores dentro del organismo para determinar sustancias útiles mediante las cuales poder controlar su salud.

En la actualidad ya se está investigando en este campo, que es el campo de los biosensores implantables. Estos biosensores son unos dispositivos que se utilizan para detectar y medir continuamente una sustancia biológica que posee alguna información sobre alguna patología. Y como su nombre indica son implantables dentro del organismo del paciente.

Generalmente estos biosensores son amperométricos, es decir aplican un potencial eléctrico para producir una reacción electroquímica que genera una corriente eléctrica la cual es medida. Lo más común es la utilización de enzimas como elemento reconocedor de la sustancia a analizar.

La aplicación estrella de estos biosensores implantables es la medida de glucosa en pacientes con diabetes, ya que es un sistema muy estudiado, y muy útil ya que la medida continua de la glucosa en estos pacientes es muy importante. Obviamente en el futuro aparecerán nuevas aplicaciones.

Estos dispositivos pueden transmitir los datos de manera automática a algún dispositivo de control, como un ordenador o el teléfono móvil del paciente, y de esta manera, el personal sanitario también puede tener acceso a esos datos y proporcionar al paciente información sobre que acciones debe tomar, como la toma de algún medicamento o el desplazamiento a un centro médico.

Biosensor implantable de lactato y glucosa

En la actualidad los investigadores en este tema se están encontrando con numerosos problemas hasta que estos dispositivos puedan ser utilizados de manera satisfactoria a gran escala, entre todas estas complicaciones destacan:

  • La respuesta del organismo al objeto extraño, de manera que es posible que el biosensor quede aislado por téjidos que genere el organismo tras la implantación y no pueda tener acceso a las sustancias a analizar. Para resolver esto se buscan materiales con una buena biocompatibilidad para que la respuesta del organismo sea lo mínima posible. También se pueden utilizar fármacos liberados en esa zona para disminuir la inflamación producida y que el rechazo sea menor.
  • Degradación de la enzima inmovilizada en el biosensor por sustancias existentes en el organismo, y por tanto el dispositivo deja de funcionar correctamente ya que no posee el elemento de reconocimiento.
  • Calibración interna: lo más correcto sería utilizar una calibración in-vivo, pero es algo muy complejo con estos dispositivos.
  • Cambios en la membrana del biosensor debido al tiempo o la temperatura. De esta manera pierde propiedades que dejan pasar hacia el biosensor las sustancias adecuadas.
  • Fallos en los materiales del dispositivo.

Existen tres formatos de diseño de estos biosensores que está siendo estudiado:

  • A) Diseño implantable pero unido a componentes externos, como la fuente de energía o los componentes electrónicos que están fuera del organismo.
  • B) Un diseño con circuito integrado y completamente implantado.
  • C) Circuito integrado de aplicación específica (ASIC) donde todos los componentes están también completamente implantados.

Estos diseños se pueden entender en la siguiente figura de una manera más visual:

Diferentes formatos de biosensores implantables

Otro de los retos de estos dispositivos es la utilización de baterías como fuente de energía. Hasta ahora no se han conseguido obtener baterías que aporten la suficiente energía y que posean un tamaño pequeño. Algunas herramientas futuras para eliminar este problema son el empleo de micro celdas de biofuel basadas en reactividad enzimática o fuentes de energía alimentadas por inducción.

Un biosensor implantable debe ser lo más pequeño posible, tener bajo consumo, e idealmente ser capaz de transmitir datos de manera inalámbrica y poder ser pogramado remotamente mientras está implantado en los tejidos vivos.

El potencial que tienen los biosensores implantables es tremendo. Está claro que todavía se necesita mucho esfuerzo, trabajo y dar los pasos adecuados para ser capaces de resolver los fallos existentes y que estos dispositivos funcionen correctamente.
Pero sin duda que en el futuro los biosensores implantables jugarán un papel muy importante en el control de nuestra salud.

ResearchBlogging.orgKotanen, C., Moussy, F., Carrara, S., & Guiseppi-Elie, A. (2012). Implantable enzyme amperometric biosensors Biosensors and Bioelectronics, 35 (1), 14-26 DOI: 10.1016/j.bios.2012.03.016

 

Este post participa en la XVI Edición del Carnaval de Química, alojado por Dr. Litos en ¡Jindetrés, sal!

Los biomarcadores como base en el diagnóstico de enfermedades

EstetoscopioLas enfermedades son procesos que nos han acompañado en el pasado y que parece que siempre nos acompañarán, aunque su variedades cambien en el tiempo con el desarrollo humano. No suele gustarnos ir al hospital, pero es algo que solemos hacer bastantes veces a lo largo de la vida. Nuestra salud ha mejorado mucho y tras los avances científicos de los últimos años cada vez es posible diagnosticar un mayor número de enfermedades y de manera más simple y efectiva. Para algunas enfermedades este diagnóstico puede llevarse a cabo solamente con la constatación de los síntomas del paciente, pero para otras es necesario pruebas más complejas. Por otro lado, existen enfermedades diferentes que poseen unos síntomas muy similares y deben ser diagnosticadas de manera inequívoca. Para estos casos, los análisis químicos son la solución más adecuada para la valoración de la enfermedad.

Los últimos avances también permiten la detección muy precoz de ciertas enfermedades, incluso antes de que se produzcan los síntomas, o la predisposición de llegar a desarrollar la enfermedad. De esta manera se puede actuar a priori para evitar esa enfermedad. Todo lo anterior es posible gracias a los biomarcadores.

La teoría dice que un biomarcador es una característica o cambio fisiológico, bioquímico o morfológico medible y evaluable a nivel molecular, bioquímico o celular que actúa como indicador de un proceso biológico normal o patológico, o como respuesta a una intervención terapéutica.

Existen diferentes clasificaciones de los biomarcadores, una de estas clasificaciones puede llevarse a cabo según la información que proporcionan:

  • De riesgo: informan sobre la predisposición de padecer una patología. Estos biomarcadores son importantes para la identificación de los individuos de una población que pueden ser sensibles a cierta dolencia. Un biomarcador de riesgo de enfermedades cardiovasculares es la medida de los niveles de colesterol.
  • Diagnósticos: dan información sobre si un paciente padece una enfermedad o si ha estado expuesto a algún tóxico o patógeno. Por ejemplo, el anticuerpo antitransglutaminasa tisular es un biomarcador diagnóstico de la enfermedad celíaca.
  • Pronósticos: informan sobre la progresión de la enfermedad, es decir, si la enfermedad mejora o empeora tras el tratamiento correspondiente. El receptor de membrana EphB4 es un biomarcador pronóstico del cáncer de colon.

Otra posible clasificación de los biomacadores es según su naturaleza:

  • Óhmicos: provienen del estudio de los genes (genómica), de las proteínas (proteoma) y de los metabolitos (metaboloma).
  • Epigenéticos: provienen de los cambios epigenéticos que se producen en el ADN y que tienen relación con alguna patología.
  • Moléculas de microRNA: las moléculas de microRNA se expresan en cantidades diferentes ya sea en células normales o cancerosas.

El biomarcador ideal deber proporcionar información diagnóstica, pronóstica y terapéutica adicional a la que se obtiene a partir de los datos clínicos del paciente, y además debe poseer, al menos, estas características química-analíticas:

  • Alta especificidad: la medida de ese biomarcador debe ser específica a una enfermedad.
  • Facilidad de muestreo: se debe evitar, en lo posible, la recogida de muestras invasivas. Por ejemplo, saliva mejor que orina y ésta mejor que sangre, ya que es menos molesto para el paciente.
  • Representatividad: los niveles del biomarcador en la muestra recogida deben ser niveles representativos del biomarcador en el organismo.
  • Se debe conocer la cinética de formación como su estabilidad.

Características ideales de un biomarcador

Lo más frecuente y sencillo en el diagnóstico de enfermedades es que el biomarcador sea un cambio medible en la concentración de una sustancia química o la simple presencia o ausencia de esa sustancia. Comúnmente se le llama biomarcador a esa sustancia química. Aunque existen biomarcadores más complejos, como por ejemplo patrones moleculares de diferente índole, en este caso el estudio del proteoma será muy importante.

Para la adecuada selección de un biomarcador, primero se debe realizar un estudio profundo de las patologías para ver que parámetros se ven alterados a causa de ellas, de manera que se identifican esos biomarcadores. A continuación, se deben seleccionar los más adecuados que proporcionen la mayor información posible, y se procede a validar esos biomarcadores. En general, la validación consiste en relacionar el biomarcador con el estado de salud del paciente y que el biomarcador pase las pruebas correspondientes de calidad, de manera que debe poseer unas características que se acerquen a las ideales antes mencionadas, que lo hagan viable para su análisis.

Existe una continua búsqueda de nuevos biomarcadores que den información más completa sobre la enfermedad que los que ya hay conocidos, o que puedan ser detectados más fácilmente. Algunas de las enfermedades con más incidencia en la actualidad, y en las que la búsqueda de buenos biomarcadores tiene una gran interés son el cáncer, las enfermedades neurodegenerativas y las cardiovasculares.

Mycobacterium Pneumoniae

Colesterol HDL y LDL

La multidisciplinariedad es realmente importante en todo el proceso del diagnóstico de una enfermedad, desde que se conoce la enfermedad, se describen biomarcadores para esa enfermedad, se deciden los más adecuados para el diágnostico y se desarrolla el método analítico adecuado para llevar a cabo su detección. En todo este proceso, hay gran cantidad de profesionales de diferentes ámbitos como la biología, la química, la medicina o incluso de otros campos, como la física o la bioinformática.

La rapidez es un factor clave en el diagnóstico de enfermedades, ya que cuanto antes se detecte antes se pueden tomar medidas correctivas para su tratamiento, por tanto, los métodos de screening para la detección de enfermedades son muy importantes y deben ser un campo de trabajo en el que hay que apostar muy fuerte en los próximos años.

Las mejoras que hay en el presente en este ámbito se deben, principalmente, a la búsqueda de nuevos biomarcadores que puedan dar un diagnóstico lo más precoz posible (incluso mucho antes de tener la enfermedad) y con la mayor información que se pueda obtener sobre esa patología, por ejemplo su evolución tras el tratamiento. Gracias, a que cada vez se conocen más datos sobre las enfermedades, y al perfeccionamiento de las técnicas analíticas empleadas para su detección, se están pudiendo utilizar mejores biomarcadores.

Los biomarcadores son unas de las sustancias químicas más importantes en la actualidad ya que la salud es y siempre será un tema trascendental en la sociedad. Detrás de la detección de una enfermedad en los hospitales ha habido muchísimo trabajo multidisciplinar durante años por parte de científicos, trabajo que seguramente, en su gran mayoría, ha sido pagado con dinero público. La salud es un tema con el que no se puede jugar, pero si recortamos salvajemente el dinero invertido en I+D como está sucediendo en España, probablemente los avances en temas de salud que estamos consiguiendo en los últimos años se vean reducidos en los próximos.

Referencias

Biomarcadores: analítica, diagnóstico y terapéutica, Monografía XXX de la Real Academia Nacional de Farmacia, Fidel Ortega-Ortiz Apodaca (Ed.), 2010.

Esta entrada participa en el XII Carnaval de Biología que este mes organiza Raúl de la Puente en Blog de Laboratorio y en el XIV Carnaval de Química que organiza Bernardo Herradón en Educación Química.