Historia de los biosensores

¿Alguna vez han oído hablar de los biosensores? ¿No? Lo más seguro es que tal vez los hayan utilizado, y los conozcan, pero no por este nombre. En el live de esta semana, nuestro experto invitado platica sobre ellos, y aquí en este blog les contaré la historia de cómo surgió el primer biosensor. Pero empecemos por la definición, para tratar de entender qué significa esta palabra, y para qué sirven estos dispositivos.

De acuerdo con la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC, por sus siglas en inglés), un biosensor es un dispositivo que usa reacciones bioquímicas específicas mediadas por enzimas, anticuerpos, organelos, tejidos o células completas para detectar compuestos químicos usualmente por señales eléctricas, térmicas u ópticas.

Los elementos biológicos entran en contacto directo con el compuesto químico que nos interesa detectar, generando un cambio particular que otro componente del sensor, el elemento transductor, convierte en una señal fácilmente medible. En algunas ocasiones, entre el elemento de reconocimiento y el transductor se establece un tercer componente: una interfase para amplificar más la señal o hacer más estable el dispositivo. 

En pocas palabras, un biosensor sería un aparato que mide una sustancia biológica de nuestro cuerpo (glucosa, colesterol, hormonas, virus, y más), y traduce esta información a una señal medible, para poder dar un resultado rápido, exacto, con una muestra pequeña, sin necesidad de ir a un laboratorio clínico.

Uno de los ejemplos más conocidos en la actualidad es el medidor de glucosa en sangre, o glucómetro, que necesita una gotita de sangre del dedo de la persona, la cual se pone en una tira y se introduce en el aparato, y en unos cuantos minutos, te da el resultado, lo que antes solo se podìa realizar al tomar una muestra mayor de sangre y analizarla en el laboratorio, tardando muchas horas o hasta días. Y pues es este tipo de biosensor el que fue el primero en descubrirse, en la década de los 60s, pero su inventor había empezado con descubrimientos relacionados casi 10 años antes.

En la década de los 50s, Leland C. Clark estaba desarrollando uno de los primeros sistemas para oxigenar la sangre. Cuando intentó publicar su invento en la revista Science, el editor lo rechazó y le dijo que necesitaría poder medir la presión parcial de oxígeno en sangre, probablemente para poder asegurar que el oxigenador funcionaba adecuadamente. Las técnicas de las cuales se disponía en la época para cuantificar el oxígeno presente en sangre consumían prácticamente todo el oxigeno de la muestra, con lo que eran muy difíciles de calibrar y por tanto, poco exactas. Así que Clark inventó el electrodo de Clark (lo pueden ver en la foto que acompaña a este artículo), el cual en su momento fue un enfoque revolucionario, no por ser una idea totalmente nueva, sino por mejorar una ya existente de una manera ingeniosa, elegante y simple. 

El diseño de Clark estaba lejos de ser el mejor, pero abrió una nueva etapa. Había demostrado que el análisis químico mediante electrodos era factible y fiable. La aplicación de este sensor químico en cirugías cardiacas, para monitorizar el oxígeno presente en la sangre de los pacientes mientras eran operados, fue casi instantánea. Todo el mundo vio el enorme potencial de lo que se empezaba a perfilar como una alternativa fácil, barata y miniaturizable de las técnicas analíticas clásicas.

Pero Clark tuvo la idea de ver que aquel electrodo que podía medir la concentración de oxígeno en la sangre o en otros fluidos o gases, lo haría igualmente con oxígeno desprendido de una reacción enzimática. Las enzimas son proteínas que catalizan (hacen más fácil) una reacción química. En una reacción química determinados reactivos se convierten en productos (el oxígeno puede formar parte de unos u otros). La actividad de una enzima depende de la cantidad de reactivos y productos que existan en el medio en el que se encuentra. De manera que, dada un reacción química donde interviene el oxígeno, el electrodo sería capaz de medir la actividad de la enzima que la cataliza en base a la velocidad de producción o consumo de oxígeno. Así demostró este concepto acoplando una membrana embebida con la enzima glucosa oxidasa a la punta de su electrodo para medir oxígeno. El resultado: el primer biosensor, que era efectivamente para medir la concentración de glucosa. En presencia de glucosa y oxígeno, la glucosa oxidasa los convierte en ácido glucónico y agua oxigenada. De manera que la desaparición de oxígeno es proporcional a la concentración de glucosa. Una vez calibrado con concentraciones de glucosa conocidas, cualquier señal eléctrica procedente de la reacción del oxígeno con el electrodo al ponerse en contacto con la muestra, podrá ser asignada a una concentración de glucosa concreta.

Esto fue desarrollado en el Hospital Infantil de Cincinnati, en Estados Unidos, por Clark y Lyons en el año de 1962. Después de diez años de haber construido el primer prototipo, la compañía estadounidense Yellow Spring comercializó con gran éxito esta tecnología, como el primer analizador de glucosa en sangre que utiliza únicamente 25 microlitros de muestra. Hoy en día existen más de 500 compañías y organizaciones de investigación en todo el mundo dedicadas al desarrollo de biosensores.

Las áreas en las que los biosensores enzimáticos han tenido mayor impacto son las de monitoreo ambiental, la de análisis clínico y la de alimentos. ¿Conocen las pruebas de embarazo o la prueba rápida para COVID-19? También son ejemplos de biosensores.

Esperemos que les haya gustado nuestro tema de esta semana, sígannos en redes sociales para más temas relacionados con la investigación clínica, aquí en Investigación ¡POP!

Fuentes:

http://www.revista.unam.mx/vol.15/num12/art97/

https://principia.io/2014/11/09/biosensores-el-otro-legado-de-clark.Ijki/

CONICET_Digital_Nro.9727acf2-a37d-4db0-867f-3c18df04b7ae_d.pdf