viernes, 7 de diciembre de 2012

El mercado de los biosensores

                En esta ocasión, para celebrar estas 10 primeras entradas en tlk-sos.blogspot.com, ¡¡vamos con una de biosensores, que es lo mío!! :D

Una definición poco formal de biosensor podría ser: “detector de sustancias biológicas en base a bioreceptores”. En el caso de la biomedicina, las sustancias a detectar suelen ser proteínas, contaminantes orgánicos, ADN y patógenos, entre otros; mientras que los bioreceptores pueden ser anticuerpos, enzimas o cadenas de ADN, principalmente.

                Los biosensores cuentan con un sinfín de ventajas. Destacan por su elevada sensibilidad y selectividad, ya que están compuestos de sustancias que ya de por sí, en la naturaleza, son específicas y selectivas, como es el caso de los anticuerpos o las enzimas, que he comentado anteriormente. Además, se puede miniaturizar el detector, ya que la reacción biológica se produce independientemente del tamaño del mismo. Esto redunda, además, en una drástica reducción del coste de fabricación (y de venta) de los equipos.

Uno de los aspectos más críticos a tener en cuenta sobre las variables biológicas es que están tan controladas por el cuerpo que cualquier mínima variación se considera fallo. Por poner un ejemplo, el pH normal de la sangre es 7,4. Por encima de este valor, pongamos 7,45, hay peligro de alcalosis. Pero por debajo de 7,35 hay riesgo de acidosis. Es decir, que los electrolitos que hay en la sangre se ven descompensados, con lo que comienzan los problemas de salud. Por ello, un biosensor debe ser capaz de distinguir sustancias cuyas cantidades varían muy poco entre sí y, a ser posible, en tiempo real, para conseguir dar una respuesta adecuada a lo que le está ocurriendo al paciente. Además, adecuadamente tratados, es posible que puedan servir como monitorización in situ y de forma continua con, incluso, reversibilidad en las mediciones, lo que les dará la posibilidad de ser reutilizados. Y por si no os habéis dado cuenta aún, reutilizar sensores equivale a no gastar tanto en repuestos o en nuevas adquisiciones J.

                Todo biosensor se compone de tres partes bien diferenciadas, en función de las cuales pueden ser clasificados (Fig. 1a). En primer lugar, tenemos la fase externa o de “reconocimiento biológico”, es decir, los bioreceptores. En este caso, según cuál sea el bioreceptor, los sensores pueden clasificarse como enzimáticos, inmunológicos, celulares/tisulares y basados en ADN o en microorganismos.

                Por otro lado, según su fase interna o transductora, los sensores pueden clasificarse como electroquímicos, piezoeléctricos, térmicos, mecánicos u ópticos. Esta distinción se puede realizar, dado que el paso del mundo biológico al eléctrico depende del tipo de fenómeno empleado para pasar la información de un mundo al otro. En la actualidad, un alto porcentaje de los biosensores se basa en la frecuencia de vibración de micropalancas (microcantilevers), cambios de temperatura en termistores, medición de corrientes entre electrodos o en transistores. Pero también hay una fuerte demanda de sensores ópticos basados en fibra óptica, con la que se pueden medir fenómenos como el campo evanescente, la fluorescencia o la interferometría, entre otras. Y concretamente, tal y como están yendo las cosas, la variante óptica presenta un atractivo bastante grande, ya que la fibra óptica posee propiedades bastante interesantes a la hora de introducirla en el cuerpo humano o fluidos corporales y trabajar con ella. Algo de esto estoy yo empleando en mi tesis para conseguir mis biosensores. A ver si lo consigo :D

                Finalmente, para conseguir que la parte biológica se fije a la transductora, se encuentra la interfase de inmovilización, que constituye el paso más importante y el más complicado a la hora de fabricar este tipo de sensores. La fijación de los componentes biológicos a los transductores debe realizarse de una forma lo más parecida posible a la que se encontraría en una situación natural, ya que sólo así se conseguirá una mayor efectividad en los bioreceptores, evitando su degradación y el consecuente mal funcionamiento del dispositivo. Para este fin, existen varias técnicas de fijación, que no vienen al caso, pero que se hacen con el objetivo de depositar los bioreceptores de forma orientada, estable y de manera que se consiga depositar homogéneamente en toda la superficie del sensor. Orientada, porque hay bioreceptores, como los anticuerpos (Y), que sólo usan la parte superior de la Y para detectar los antígenos. Por tanto, se trataría de colocarlos de manera que estuvieran con las partes funcionales disponibles. La unión tiene que ser estable, porque por lo menos hay que conseguir que no se deshaga nada más depositar los bioreceptores, o si no, no serviría de nada el sensor. Y además, de forma homogénea, porque lo suyo sería recubrir toda la superficie de detección con bioreceptores, de manera que se pudiera detectar en cualquiera de los puntos de la zona sensible.

En cuanto a su campo de aplicación, los biosensores son comúnmente conocidos por sus servicios en biomedicina (generalmente, para detectar enfermedades o síntomas de determinadas afecciones). De hecho, esta aplicación ronda el 64% del mercado mundial (Fig. 1b). Pero también tienen usos industriales (alimentación y farmacia, 11%) y medioambientales (contaminantes, gases tóxicos, detección de plaguicidas, herbicidas, detergentes, etc., 13%), entre otros.

Fig. 1. (a) Esquema de un biosensor genérico. (b) Uso de los biosensores en el mercado global.

                En los últimos años, la I+D se ha centrado en uno de los aspectos fundamentales a la hora de fabricar biosensores, como es la miniaturización. Esto permite realizar dispositivos más pequeños con las mismas propiedades sensitivas, como ha ocurrido de manera notable en el desarrollo de medidores de glucosa. Además, a pesar de que las tecnologías no invasivas están emergiendo, la micro y la nanotecnología están irrumpiendo con fuerza en este campo. Como consecuencia de ello, las compañías han adoptado los microchips como la mejor manera de integrar los tests biomédicos en la tecnología. De entre los exámenes realizados con éxito, se encuentran los de colesterol y, sobre todo, los de diabetes. En este sentido, dada la gran proliferación de casos de niveles excesivos de azúcar en sangre a nivel mundial, la monitorización de glucosa es la aplicación más requerida, acumulando el 31,5% de las aplicaciones comerciales a día de hoy (Fig. 1.2a).

                Es considerable el crecimiento de nuevas tecnologías que se aplican a la detección de variables biomédicas. Sin embargo, aún se tienen que enfrentar a un mercado fuertemente competitivo y cerrado, donde las compañías grandes que patentan sus dispositivos no permiten su inclusión. Las nuevas tecnologías emergentes vienen de la mano de (Fig. 1.3):


Fig. 1.2. (a) Demanda mundial en el uso de biosensores en 2009.
(b) Estimación del dinero ingresado por el sector de los biosensores hasta 2016.

a)     Microsensores de silicio: a pesar de la lentitud del comercio con biosensores basados en silicio, ha habido una gran mejora en las tecnologías de microfabricación, lo que le puede permitir entrar en aplicaciones de análisis clínico, cuidados de la salud y medio ambiente. A partir de aquí, también están creciendo los sistemas microelectromecánicos o MEMS, dispositivos que combinan mecánica y electrónica para hacer mucho en poco espacio y mejorando en eficiencia.

b)     Biosensores de detección rápida: existen sensores que detectan colonias de bacterias en base a nanotubos de carbono funcionalizados con aptámeros (fragmentos de ADN), que se adhieren a moléculas específicas de la membrana externa de las bacterias, generando señales eléctricas de detección en pocos segundos.

c)      Lab on a chip: se trata de hacer pasar un flujo de células para realizarles diferentes pruebas a medida que van pasando por la microfluídica del sistema, con el fin de detectar interacciones entre células, de manera que se puedan identificar mecanismos en el sistema inmune que actúen contra el cáncer, por ejemplo. La idea en la detección del cáncer es estudiar las transferencias de información entre las células para ver si hay procesos que lleven a inhibir el crecimiento celular anómalo. Pero también se puede usar para ver los procesos de la vida celular y sacar conclusiones sobre lo que se obtenga.

d)     Biosensores de fibra óptica: hablaré de ellos en posteriores entradas, ya que es en lo que yo ando metido, pero la mayor ventaja que aportan es sus altas prestaciones en biocompatibilidad, manejabilidad y su bajo coste. Se aplican, sobre todo, en detección de fármacos y en aplicaciones industriales, militares y de defensa.

Fig. 1.3. (a) Tecnología “lab on a chip”, para el análisis de células en flujo. (b) Los microsensores de silicio son pequeñas placas madre para hacer pruebas biológicas en cada uno de los “pocillos”, que están funcionalizados para dar las reacciones deseadas. (c) La tendencia son los sensores de fibra óptica, debido a sus excelentes propiedades compatibles con los tejidos biológicos.

                Por último, un apunte económico. A día de hoy, el mercado de los biosensores ingresa alrededor de los 10.000 millones de dólares. Como se ve en Fig. 1.2b, se espera que la tendencia sea alcista, superando los 16.000 millones dentro de 6 años. Este dato no es exagerado, teniendo en cuenta el gran avance que se pretende realizar dentro del sector biomédico, ya que cada vez hay mayor concienciación sobre la salud de las personas.

He tratado de dar una vuelta lo más resumida posible al estado del arte de los biosensores. Ya véis que se trata de algo que está a la orden del día y que, mientras de mejorar la salud se trate, se hará lo posible por conseguir mejores dispositivos. A los médicos, que no os asusten estas cosas. Aunque a la hora de tener los equipos es posible que se os explique algo de lo que hacen, en principio esto no os tiene por qué preocupar, ya que son los resultados rápidos y la posibilidad de diagnosticar rápido lo que os tiene que importar. Para saber cómo hacerlo ya estamos los frikis ;)

Besos, abrazos y ¡¡hasta la próxima!! ;)