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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.

Métodos de screening para la detección de enfermedades

¿Os imagináis un mundo en el que los análisis para la detección de enfermedades sean rápidos y baratos? Pues ese mundo, en cierta medida, existe. Es el mundo de los métodos analíticos de screening.

Estos métodos de screening son análisis simples que se utilizan para la identificación o el descarte de patologías en pacientes. Se utilizan para obtener una información rápida sobre esas patologías. Generalmente, si el resultado es positivo, se necesita realizar un análisis más concluyente para confirmar la enfermedad.

Los métodos de screening pueden ser:

  • cualitativos: ofrecen información sobre si una sustancia se encuentra en una muestra o no.
  • cuantitativos: ofrecen información sobre la concentración de una sustancia en una muestra.
  • semicuantitativos: ofrecen una cuantificación de un compuesto de manera no numérica, por ejemplo: positivo (++), posible positivo (+), posible negativo (-), negativo (–).

Lo más común en la actualidad es encontrarse con métodos de screening cualitativos, de manera que si una sustancia se encuentra por debajo de un límite de concentración se toma como resultado negativo y si supera esa concentración, el resultado es positivo. Pero también existen métodos de screening cuantitativos y semicuantitativos.

Las características generales que presentan estas herramientas es un precio más bajo y una mayor rapidez que los análisis más concluyentes para detectar cierta enfermedad. Generalmente son más simples y utilizan una menor cantidad de muestra, además de emplear dispositivos pequeños y desechables, de usar y tirar.

Estos métodos de screening pueden llevarse a cabo de dos maneras principales: por detección sensorial (cambio de color u olor) o por detección instrumental (espectroscopia, electroanálisis).

Algunos ejemplos implantados

Quizás las herramientas para realizar análisis clínicos de screening más implantadas en la actualidad son las tiras reactivas. Estas tiras están impregnadas de ciertos reactivos de reconocimiento de unas sustancias, llamadas biomarcadores, que aparecen en el organismo cuando existe una patología. Al añadir la muestra del paciente sobre la tira, se obtendrá un resultado cualitativo, positivo o negativo. Las muestras para este tipo de reactivos suelen ser no invasivas como orina, saliva o sangre.

Test de embarazo

Probablemente, el método de screening más conocido es el test de embarazo. A partir de los 10 días después de producirse un embarazo, las mujeres embarazadas generan una hormona llamada gonadotropina coriónica humana (hCG por sus siglas en inglés). Esta hormona está presente en la sangre y en la orina.

Este test determina la presencia o ausencia de esta hormona en la orina. Por tanto, es un test cualitativo que proporciona la información de si una mujer está embarazada o no. Se realiza adicionando unas pocas gotas de orina sobre una tira química reactiva que contiene anticuerpos contra la hCG y alguna sustancia indicadora. La complejidad de estas tiras puede variar según la marca del test de embarazo, pueden existir anticuerpos monoclonales y policlonales contra la hCG, producirse mediante un ensayo tipo sandwich, un ensayo de inhibición de la aglutinación, un inmunoensayo de flujo lateral, etc.

Si se produce la reacción inmunológica, el test será positivo y existirá un código de colores para informar a la persona sobre el resultado.

Dos rayas

Una de las metodologías utilizadas en la actualidad en los tests de embarazo consiste en lo siguiente:

  • la tira reactiva contiene tres tipos de anticuerpos en tres zonas diferentes de la tira: la zona de reacción, zona de test, y la zona de control.
  • la tira reactiva se pone en contacto con la orina que se moverá a través de las zonas de la tira.
  • En la zona de reacción existe un anticuerpo monoclonal para hCG. Si existe hCG en la orina, se unirá al anticuerpo.
  • En la zona de test existe un anticuerpo policlonal para hCG y un colorante. Si existe hCG en la orina, vendrá unido de la anterior zona con el anticuerpo monoclonal y reaccionará con el anticuerpo policlonal de esta zona, generando un cambio de color.
  • En la zona de control se valida que el test se ha llevado a cabo correctamente. En esta zona se encuentra un tercer anticuerpo (con colorante) que reaccionará con los anticuerpos monoclonales libres que provienen de la zona de reacción, produciendo un cambio de color si el test funcionó.

Test de embarazo

Una prueba más fiable sería la determinación cuantitativa de esta hormona en la sangre. La hCG aparece en sangre más temprano que en orina, y además, su concentración puede dar información sobre el desarrollo del embarazo y de si existe algún problema.

Tiras reactivas para TSOH

El cáncer de colon es uno de los cánceres más comunes que existen. Para la detección precoz de este tipo de cáncer se realiza el test de sangre oculta en heces (TSOH). Si la prueba es positiva se necesita realizar una prueba posterior más concluyente, como una colonoscopia, para conocer el origen de esa sangre.

Para la realización de el TSOH se emplean unas tiras reactivas que tras la adición de la muestra (heces) y de un reactivo sobre la tira, se observa un cambio de color que indica el resultado del test.

Existen dos principales tipos de TSOH: los tests químicos (TSOH-Q) y los test inmunológicos (TSOH-I), aunque ambos detectan hemoglobina humana en las heces, su funcionamiento es diferente.

Tiras TSOH

Las tiras TSOH-Q se basan en una reacción química de oxidación que está catalizada por la hemoglobina humana. Poseen un indicador químico que si se produce la reacción anterior cambiará de color mostrando información sobre el resultado.

Las tiras TSOH-I se basan en una reacción inmunológica específica entre la hemoglobina humana y un anticuerpo. Este tipo de tiras son más selectivas que las tiras TSOH-Q al basarse en una reacción biológica, pero también son más caras.

Algunos ejemplos de investigación reciente

La investigación en sensores electroquímicos para la detección de enfermedades ha aumentado en los últimos años, debido a que las herramientas utilizadas son fácilmente miniaturizables y de bajo precio, como los electrodos serigrafiados. Se están investigando métodos de screening utilizando estos sensores, que poseen la ventaja de poder ser cuantitativos. Estoy seguro que estos dispositivos serán utilizados en los próximos años a gran escala en hospitales y centros médicos.

Existen muchos trabajos sobre sensores electroquímicos para la detección rápida de diferentes enfermedades, voy a poner un ejemplo sobre su aplicación en el diagnóstico de tumores:

Bisensor para PSA

El cáncer de próstata es el segundo tipo de cáncer más común en hombres. Un método de screening para la detección del cáncer de próstata es la determinación de la proteína PSA (prostate specific antigen). Esta proteína puede encontrarse libre o unida a otras proteínas. Si la concentración de PSA en el suero sanguíneo supera una concentración, el riesgo de padecer cáncer de próstata es alto. Si está por debajo de un nivel, el riesgo es muy bajo, mientras que existe una zona en la que puede haber riesgo o no. En esta zona, se obtiene una mayor información obteniendo las concentraciones de la PSA libre y la PSA unida a otras proteínas. Por tanto, es importante la determinación de los niveles cuantitativos de ambos tipos de PSA en el mismo análisis. Si el resultado es positivo se necesita realizar una prueba posterior, como una biopsia, para confirmar la patología.

Gracias a la versatilidad de los electrodos serigrafiados que pueden tener diferentes diseños, es posible la determinación simultánea de varias sustancias de manera cuantitativa. Existe un trabajo desarrollado en el que se construye un inmunosensor para la detección de PSA libre y PSA total. De esta manera, en el mismo análisis se puede obtener información bastante acertada de la posibilidad de poseer cáncer de prostata.

Bisensor de PSA (prostate specific antigen)

El diseño y funcionamiento de este bisensor es básicamente el siguiente: cada electrodo de carbono del bisensor (en la misma tarjeta) se nanoestructura con nanopartículas de oro, se modifican con un anticuerpo monoclonal diferente, uno específico para la PSA libre y otro para la PSA total (libre y unida a proteínas). Esa sería la tarjeta sensora. Para la realización del análisis, se adiciona la muestra, de manera que la PSA libre se une a su anticuerpo específico y en el otro anticuerpo se unen tanto PSA libre como PSA unida a proteínas. A continuación, se adiciona un segundo anticuerpo marcado, de manera que se realiza un ensayo tipo sandwich (como se puede ver en la figura anterior). En este caso, la marca es la fosfatasa alcalina que trabaja como enzima de una reacción que es medida electroquímicamente.

Conclusiones

Las dos características más importantes de estos métodos son el bajo precio y la rapidez del análisis, en comparación con otros métodos que pueden diagnosticar la enfermedad de manera concluyente. Aunque existen métodos de screening que pueden dar ese diagnóstico definitivo, gran parte de ellos se utilizan como pruebas rápidas para descartar o no ciertas patologías. En mi opinión, el gran reto para este tipo de análisis es dejar de ser meros métodos de screening y convertirse en métodos de análisis definitivos, que su resultado presente información absoluta del diagnóstico del paciente. Creo firmemente que esto se puede conseguir en el futuro, y que los análisis que nos hagamos dentro de 20 años van a ser más rápidos, más baratos, menos invasivos para las personas, y la fiabilidad de los resultados para diagnosticar una enfermedad será muy alta. Además, al disminuir el precio, estos análisis podrán ser accesibles por un mayor número de personas.

Hay que seguir trabajando en esta linea.

Referencias

ResearchBlogging.org
Escamilla-Gómez, V., Hernández-Santos, D., González-García, M.B., Pingarrón-Carrazón, J.M., & Costa-García, A. (2009). Simultaneous detection of free and total prostate specific antigen on a screen-printed electrochemical dual sensor Biosensors and Bioelectronics, 24 (8), 2678-2683 DOI: 10.1016/j.bios.2009.01.043

Este artículo participa en la XII Edición del Carnaval de la Química que este mes organiza @MariaDocavo en su blog Historias con mucha Química.