Aplicaciones de Biosensores

Resumen

En el presente ensayo vamos a tratar sobre los
biosensores su estructura, características y funciones ya
que son muy utilizados en el campo de la bioingeniería
para ayudar en el área de la medicina. Además
trataremos dos aplicaciones muy importantes para la salud con el
empleo de biosensores en vista de que son altamente empleados
para llevar el control del nivel de la glucosa en la sangres de
un paciente diabético y que es dependiente de la insulina.
Así como también se puede utilizar un biosensor
para determinar el cáncer de esófago en un paciente
sin la necesidad de realizar una biopsia como se procedía
en tiempos antiguos tomando muy en cuenta que gracias a los
biosensores podemos aumentar la calidad de vida y reducir el
tiempo de recuperación de un potencial paciente con
cáncer de esófago.

Palabras clave—Biosensor, Biopsia,
Cinética de la interacción, Electrodo, Enzima,
Glucosa.

Introducción

La Bioingeniería es una de las disciplinas
más jóvenes de la ingeniería en la que los
principios y herramientas de la misma, además la ciencia y
la tecnología se aplican a los problemas presentados por
la biología y la medicina.  La bioingeniería
comprende una sólida base en ingeniería conjugada
con los conocimientos fundamentales de medicina y
biología, complementados con materias específicas
de aplicación de tecnología como son: la
electrónica, informática, robótica,
óptica, etc., para satisfacer las demandas de la medicina
y la biología. [1] 

La Bioingeniería hoy, en nuestro país,
está creciendo y estableciéndose como uno de los
polos de mayor desarrollo, tanto en el mercado
médico-tecnológico como en el área de la
investigación.  Entre los más importantes
campos de la Bioingeniería a nivel mundial se pueden
mencionar: Biomateriales; Ingeniería Biomédica;
Ingeniería Hospitalaria; Biomecánica;
Bioóptica; Biosensores; Ingeniería Clínica y
de Rehabilitación; Imágenes Médicas;
Informática Médica; Órganos Artificiales;
Procesamiento de Señales Biológicas; Telemedicina;
y todo lo que concierne a la Tecnología
Médica. [1]

El término biosensores aparece como parte
fundamental de nuestra investigación puesto que su
aplicación y estudio colabora a los avances de la
bioingeniería. El biosensor comenzó a utilizarse a
partir de 1977 cuando se desarrolló el primer dispositivo
utilizando microorganismos vivos inmovilizados en la superficie
de un electrodo sensible a amonio. [2]

DESARROLLO DE CONTENIDOS

Biosensores

Son instrumentos analíticos que transforman
procesos biológicos en señales eléctricas u
ópticas y permiten su cuantificación. Acopla un
elemento biológico sensible asociado a un sistema de
transducción.

La función de un sensor es convertir un tipo de
cantidad a otro tipo de cantidad La temperatura a una
señal eléctrica, la presión de un fluido
electrostático a una señal eléctrica, etc.
[4]

Se compone de tres partes:

• El sensor biológico: Puede ser un
  tejido, un cultivo de microorganismos, enzimas, anticuerpos,
  cadenas de ácidos nucleicos, etc. [3]

• El transductor: Acopla los otros dos
  elementos y traduce la señal emitida por el sensor.
  [3]

• El detector: Puede ser óptico,
  piezoeléctrico, térmico, magnético, etc.
  [3]

Fig. 1 Biosensores desarrollados como una
piel electrónica

que se adhiere como tatuaje temporal y
mide los signos vitales.

El ejemplo más común de biosensor es el
que mide la glucosa en la sangre. Utiliza una enzima que procesa
moléculas de glucosa, liberando un electrón por
cada molécula procesada. Dicho electrón es recogido
en un electrodo y el flujo de electrones es utilizado como una
medida de la concentración de glucosa. [3]

Fig. 2 Biosensores al funcionar como
"marcadores", podrían detectar cáncer
tempranamente.

El principio de detección se basa en la
interacción específica entre el compuesto de
interés y el elemento de reconocimiento. [4]

• Compuesto de interés: analito.

• Elemento de reconocimiento: bioreceptor.

Esta interacción genera la variación de
una o más propiedades fisicoquímicas que son
detectadas por el transductor. [4]

• Transferencia de electrones.

• Cambio de pH.

• Transferencia de calor.

• Cambio de potencial.

El transductor transforma la respuesta del bioreceptor
en una señal electrónica que indica la presencia
del analito proporcional a su concentración en la muestra,
El electrodo registra estos cambios los cuales a su vez son
procesados en diferentes etapas hasta obtener la medición
numérica en una pantalla. [4]

• A. Características de los
  biosensores:

• Alta sensibilidad.

• Alta selectividad.

• Mediciones en tiempo real.

• Automatizables.

• Portátiles.

• Miniaturalizables.

• Capacidad de multianálisis.

Una de las características fundamentales que hace
tan atractivos a la mayoría de los biosensores es la
posibilidad de realizar el análisis de la sustancia a
determinar en tiempo real y de forma directa a diferencia de
cualquier análisis biológico o clínico que
requiere siempre un marcador. [5]

Estas dos características le confieren a los
biosensores la posibilidad de realizar no sólo un
análisis cualitativo y cuantitativo, sino también
la posibilidad de evaluar la cinética de la
interacción  y, por tanto, elucidar los mecanismos
fundamentales de dicha interacción. [5]

Pocas técnicas biotecnológicas permiten la
evaluación en tiempo real de las cinéticas de
interacción, por lo que la tecnología biosensora se
está imponiendo en todas aquellas áreas donde es
fundamental conocer los detalles cinéticos de la
interacción biomolecular, como por ejemplo, en la
evaluación de fármacos potenciales. [5]

Principio de
funcionamiento de los biosensores.

Fig. 3 Esquema a bloques de un
biosensor.

Esquema del funcionamiento de un biosensor. La muestra a
analizar se pone en contacto con el dispositivo, siendo posible
detectar sólo al analito (+) para el que está
diseñado el receptor biológico. Cuando tiene lugar
la reacción de reconocimiento biológico se producen
una serie de cambios físico-químicos detectados por
el transductor, que produce una señal cuantificable,
directamente proporcional a la concentración del analito.
[5]

Receptores y
transductores

Son muchos los dispositivos biosensores que se han
desarrollados y muy variados los mecanismos
físico-químicos de transducción que se han
empleado para traducir la interacción biológica en
una señal cuantificable y útil para el usuario. La
clasificación de los biosensores viene impuesta tanto por
la naturaleza de la biocapa receptora elegida como por el tipo
del transductor empleado. Como elementos biológicos
receptores se pueden emplear enzimas, anticuerpos, receptores
proteícos, secuencias de oligonucleótidos,
fragmentos subcelulares como mitocondrias, secciones de tejidos
animales y vegetales, células completas, etc. y como
transductor dispositivos ópticos, electroquímicos,
y mecano-acústicos, principalmente. La combinación
de la diversas capas receptoras con los diferentes transductores
puede dar lugar a una gran variedad de dispositivos biosensores.
[5]

Usos y
aplicaciones de los biosensores el análisis clínico
de glucosa en pacientes diabéticos

Los biosensores pueden ser utilizados ampliamente en el
análisis clínico puesto de que tienen el atractivo
de ser de bajo coste, pequeños, sensibles, y
fáciles de usar. [6]

Biosensores de mesa de tipo electroquímico se
encuentran, por supuesto, en servicio rutinario en los
laboratorios de bioquímica clínica para determinar
glucosa, ácido láctico, etc. Otra área de la
medicina donde los biosensores entrarán
con fuerza es la monitorización fuera de las
horas de visita. Un ejemplo donde se requiere una
monitorización de bolsillo, cómoda para el
usuario, es el control de glucosa sanguínea en los
diabéticos. [6]

La tasa de glucosa en sangre de un
diabético insulino-dependiente tiene que determinarse dos
o tres veces al día y es vital para la salud del
paciente que tal control se realice con precisión.
Aparatos de este tipo están siendo desarrollados por
varias compañías en el mercado internacional.
[6]

Tal monitorización mejorará
la eficacia de los cuidados al paciente reemplazando
los laboriosos, y a menudo lentos, sistemas
de ensayos actuales. Ello llevará a una
práctica clínica más próxima al
enfermo, facilitando una rápida toma de decisiones en
clínica. Una gran cantidad de sustancias requieren ser
controladas en estas situaciones, tales como antígenos,
anticuerpos, colesterol, compuestos neuroquímicos, etc.
[6]

Fig. 4 Ejemplos de los posibles usos de
los biosensores en el diagnóstico
médico.

Detección
de Cáncer y Anomalías Salud

Otro tipo de biosensor utiliza la
tecnología sofisticada para detectar un rasgo
específico o una anormalidad en un organismo
vivo. Investigadores ORNL (Oak Ridge National
Laboratory) han inventado varios biosensores de este tipo.
[7]

Fig. 5 Tuan Vo-Dinh de ORNL (izquierda) y
Bergein Overholt y Panjehpour Masoud, ambos del Centro de
Thompson

De estos biosensores, el más importante es el
sensor óptico desarrollado por Tuan Vo Dinh. Este
sensor puede decir si un tumor en el esófago es canceroso
o benigno. En el pasado, la determinación precisa de
si un paciente tiene cáncer de esófago ha requerido
una biopsia quirúrgica. Sin embargo, nuestro
método basado en láser de fluorescencia ha
eliminado la necesidad de una biopsia, reducir el dolor y el
tiempo de recuperación de los pacientes. [7]

Así es como funciona. La luz láser de
la longitud de onda apropiada se dirige a la superficie interior
del esófago por medio de un dispositivo de fibra
óptica que es tragada por el paciente. Las
células epiteliales y tejidos en el interior del
esófago fluorescen desprendido por la luz
láser. Cuando el interior del esófago se
ilumina con luz azul [410 nanómetros (nm)], el tejido
normal emite luz en longitudes de onda diferentes de las emitidas
por las células cancerosas. [7]

Las propiedades espectrales de la luz en longitudes de
onda de 400 a 700 nm permiten analizar las distintas posiciones
en el esófago. Las emisiones procedentes de
células normales y células cancerosas se pueden
distinguir con bastante precisión, la diferencia se
expresa como el índice de fluorescencia normalizada
diferencial. Las pruebas en más de 200 pacientes
muestran que, en comparación con los resultados de las
biopsias quirúrgicas, láser de diagnóstico
de fluorescencia es preciso en más de 98% de los casos.
[7]

Biosensor para el
control de la diabetes sin el uso de muestras de
sangre

Fig. 6 Estructura de un AOTF.

Otra biosensor de laboratorio Vo-Dinh proporciona una
manera de supervisar el estado de la diabetes sin necesidad de
utilizar muestras de sangre. En este caso, la luz se utiliza
para iluminar el ojo y estimular ciertas sustancias, incluyendo
proteínas. Este método no invasivo realmente
depende de un desarrollo relativamente nuevo para la
selección de la longitud de onda de la luz para la
iluminación. Surgiendo la necesidad de prismas o
rejillas para refractar la luz en diferentes longitudes de onda,
se utiliza también un dispositivo llamado el Acousto-Optic
Tunable Filters (AOTFs). Una AOTF selecciona la longitud de
onda de la luz para brillar en el globo ocular y otro selecciona
la longitud de onda de la luz fluorescente emitida por ciento del
globo ocular. [7]

Ambas longitudes de onda AOTF se escanean
simultáneamente con la técnica de luminiscencia
síncrono desarrollado previamente para la
investigación del medio ambiente. Los AOTFs, que son
manipulados con una señal de radio-frecuencia, pueden
escanear todo el espectro visible y porciones de los espectros
ultravioleta y el infrarrojo en milisegundos para seleccionar las
longitudes de onda apropiadas para usar para iluminar el globo
ocular. También puede seleccionar la correcta carga a
usar para leer la señal de fluorescencia de ojo del
paciente instantáneamente. De esta manera muchos
escaneos espectrales se pueden tomar con un promedio bastante
aceptable gracias a la ayuda de una computadora para obtener la
precisión requerida para medir el estado y los cambios en
las proteínas de los ojos de los
diabéticos. [7]

Conclusiones

Para concluir el tema tratado se puede decir que muchos
biosensores ofrecen también las ventajas de su
pequeño tamaño y gran portabilidad, lo que permite
cantidades de muestra para hacer el análisis relativamente
baja, lo que es muy importante si se trata de análisis de
sangre o de ADN, o si la muestra es cara o difícil de
conseguir.

A todo esto hay que unir que son baratos de producir,
tienen un tiempo de vida larga y cuentan con una gran
versatilidad que permite el diseño de dispositivos a la
carta.

Por lo que resulta muy útiles para constituirse
en la base de proyectos de Bioingenieria que nos
permitirán así mejora la calidad de la salud y la
calidad de vida de los diferentes tipos de pacientes poniendo de
esta manera la tecnología al servicio de la comunidad que
son los que mas lo necesitan.

Bibliografía

[1] Conejos de Evaluación y
acreditación Argentino. (2007, Marzo). Bioingenieria
[Online]. 1(1). Available:
http://www.bioingenieria.edu.ar/extension/la_facultad/carreras/qesbioing.htm

[2] Ciencia Popular. (2013, Enero).
Biosensores [Online]. 1(1). Available:
http://www.cienciapopular.com/n/Tecnologia/Biosensores/Biosensores.php

[3] Wikipedia. (2013, Enero). Biosensores
[Online]. 1(1). Available:
http://es.wikipedia.org/wiki/Biosensor

[4] Oscar David R. (2013, Enero).
Bioingenieria y Biosensores [Online]. 1(1). Available:
http://bioingenieriaybiosensores.blogspot.com/

[5] Ministerio de Educación y
Ciencia Español. (2013, Enero). Bio sens tecnología
de sensores [Online]. 1(1). Available:
http://www.imm.cnm.csic.es/RedBiosensores/tecnologia-de-biosensores.html

[6] Víctor M. Gimero Gil. (2013,
Enero). Biosensores de última generación. [Online].
1(1). Available:
http://www.monografias.com/trabajos7/biul/biul

[7] K. Bruce Jacobson. (2013, Enero).
Biosensors and Other Medical and Environmental Probes [Online].
1(1). Available:
http://www.ornl.gov/info/ornlreview/rev29_3/text/biosens.htm

Autor:

Carlos Tepan Pintado

Ingeniería Electrónica,
Universidad Politécnica Salesiana, Cuenca,
Ecuador