Universidad
Politécnica de Madrid

Primer paso hacia la detección de bacterias con biosensores gravimétricos

Investigadores de la UPM han dado los primeros pasos hacia el desarrollo de un sensor para la detección de meningitis bacteriana en tiempo real combinando sensores gravimétricos con anticuerpos sintéticos para obtener un método muy sensible, rápido y económico.

11.09.2017

Con el objetivo de desarrollar métodos de diagnóstico precoz de enfermedades bacterianas, el equipo de investigadores del Grupo de Microsistemas y Materiales Electrónicos (GMME) del Centro de Materiales y Dispositivos Avanzados para las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (CEMDATIC) de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) ha publicado un trabajo en el explican los primeros pasos hacia el desarrollo de un biosensor para la detección de las bacterias asociadas con la meningitis bacteriana. Para ello han utilizado sensores gravimétricos combinados con aptámeros que actúan como receptores. Se trata de un método más rápido y económico que los actuales, que podrá ser usado en centros de salud y ambulatorios para el diagnóstico precoz de enfermedades bacterianas.


Figura 1. a) Esquema del corte transversal de un transductor. b) Fotografía de microscopio óptico de un chip con cuatro resonadores. Fuente: M. DeMiguel-Ramos et at., Gravimetric biosensor based on a 1.3 GHz AlN shear-mode solidly mounted resonator, Sensors and Actuators B 239 (2017) 1282–1288.

La meningitis bacteriana es una de las diez principales causas de muerte por enfermedades infecciosas en todo el mundo. Alrededor de un 10% de los pacientes fallece en las 24-48 horas siguientes al inicio de los síntomas, y entre un 10 y un 20% de los que sobreviven presenta secuelas neurológicas a largo plazo. Además, la meningitis bacteriana se contagia fácilmente a través de la tos, los estornudos o el contacto próximo. Estos motivos hacen esencial un diagnóstico rápido y muy preciso de la enfermedad para proporcionar al paciente el tratamiento adecuado y prevenir una posible epidemia. Las bacterias más comúnmente asociadas a la meningitis bacteriana son el meningococo y el neumococo, pero su diagnóstico clínico temprano suele ser inespecífico lo que dificulta la rápida identificación de la bacteria, lo cual es crítico para el tratamiento adecuado de la enfermedad.

Actualmente, la confirmación del diagnóstico suele basarse en métodos que requieren tiempos demasiado largos para las necesidades terapéuticas o que son muy costosos y requieren la intervención de personal altamente cualificado. Conocida esta situación, los investigadores del CEMDATIC-UPM se plantearon el objetivo de mejorar los métodos de diagnóstico de este tipo de enfermedades utilizando biosensores que permitieran un diagnóstico más rápido, económico y sensible. Para ello, decidieron trabajar con biosensores sin marcaje secundario ya que permiten detectar las bacterias directamente.

Los biosensores gravimétricos sin marcaje secundario consisten en un resonador electroacústico formado por dos elementos básicos. El primero -receptor- es un material capaz de fijar la especie a detectar de forma selectiva y eficiente, de tal modo que su peso aumenta de forma proporcional a la concentración de dicha especie en el fluido a analizar. El segundo elemento transductor se encarga de medir la variación de peso del receptor al detectar las especies.

El nuevo biosensor desarrollado en la UPM utiliza aptámeros como receptores, ya que son una alternativa muy atractiva a la hora de sustituir a los anticuerpos para el biorreconocimiento de especies en biosensores de afinidad. Se trata de receptores muy estables químicamente, sintéticos -frente a los anticuerpos desarrollados en animales- y muy selectivos -se pueden diseñar de forma muy específica para cada especie a detectar-. Por otro lado, como transductor se han usado sensores gravimétricos basados en resonadores de alta frecuencia de película delgada de nitruro de aluminio piezoeléctrico. Esta opción es una alternativa interesante debido a su alta sensibilidad, bajo límite de detección y su bajo coste de producción masiva. Los investigadores han demostrado la efectividad del nuevo método comprobando -a través de la medida de las variaciones de la frecuencia de resonancia del sensor gravimétrico- que el biosensor es capaz de detectar proteínas específicas de bacterias causantes de la meningitis en concentraciones excepcionalmente bajas.

Figura 2. Esquema del proceso de funcionalización
de la superficie y la unión de especies bajo análisis.
Figura 3. Evolución de la frecuencia de resonancia de un sensor gravimétrico tras la unión de una proteína.

En opinión de los investigadores, este trabajo abre el camino hacia el desarrollo de biosensores rápidos, económicos y muy sensibles para la detección de enfermedades bacterianas, lo que mejorará el diagnóstico precoz de este tipo de enfermedades, clave a la hora de evitar sus graves complicaciones.

José M. Escolano, Bárbara Díaz-Durán, Mario DeMiguel-Ramos, Jimena Olivares, Morten A. Geday, Enrique Iborra. Selection of aptamers to Neisseria meningitidis and Streptococcuspneumoniae surface specific proteins and affinity assay using thin film AlN resonators. Sensors and Actuators B 246 (2017) 591–596.
Mario DeMiguel-Ramos, Bárbara Díaz-Durán, José-Miguel Escolano, Mariano Barba, Teona Mirea, Jimena Olivares, Marta Clement, Enrique Iborra. Gravimetric biosensor based on a 1.3 GHz AlN shear-mode solidly mounted resonator. Sensors and Actuators B 239 (2017) 1282–1288.