Para millones de personas en todo el mundo es inevitable beber cada día agua contaminada por patógenos o ingerir alimentos con toxinas que les acaban provocando enfermedades e incluso la muerte. En África y en el Sudeste Asiático la prevalencia de la tuberculosis se sitúa aún en torno a los 300 casos por cada 100.000 habitantes, según datos de la OMS. También en los países desarrollados, la bacteria E. coli, la Salmonella, o el virus de la gripe aviar son bien conocidos por sus efectos nocivos sobre la salud pública.

Para combatir este problema, la empresa nanoRETE, vinculada a la Universidad Estatal de Michigan (MSU, en Estados Unidos), ha anunciado que va a desarrollar y comercializar una plataforma de biosensores de bajo coste para una rápida detección de los patógenos implicados en estas y otras muchas enfermedades, como el ántrax o la legionelosis.

Hasta ahora, los métodos basados en detección óptica han sido los más utilizados en biosensores debido a su alta sensibilidad. Sin embargo, no resultan apropiados sobre el terreno, ya que este tipo de detección requiere instrumentos muy grandes y caros.

"Nuestro kit incluye dos tipos de biosensores con los que puedes detectar cualquier cosa que tenga ADN o que pueda ser capturada por un anticuerpo”, afirma Evangelyn Alocilja, fundadora de nanoRETE y profesora en la MSU. “Permite obtener resultados en aproximadamente una hora, desde la recepción de la muestra a la lectura final, y no requiere una formación técnica importante", añade. Según la investigadora, el precio de cada test sería de entre 4 y 8 euros, mucho más barato que las tecnologías actuales.

El primero de los sensores que incorpora esta plataforma, denominada X-MARK, se basa en una metodología llamada ‘barcode ADN’, implementada por el equipo del profesor Chad Mirkin en 2006 como sistema de detección óptica, que detecta el ADN de múltiples objetivos gracias a nanopartículas marcadas con varias moléculas de ADN enlazadas.

Alocilja usa un método análogo al descrito por Mirkin, pero su sistema de detección es electroquímico en lugar de óptico. Este tipo de detección fue desarrollada en 2003 por el profesor Joseph Wang y ha sido optimizado en la plataforma X-MARK. “Han introducido algunas mejoras para aumentar la sensibilidad del sistema”, explica Arben Merkoçi, profesor ICREA del Instituto Catalán de Nanotecnología (España), que trabajó en el equipo de Wang. “La detección de los metales liberados de las nanopartículas se hace sobre la superficie de un electrodo y ellos utilizan uno de carbono modificado con bismuto”, apunta.

Tal como explica Merkoçi, el prototipo que está desarrollando nanoRETE incluye para este sensor un chip con un electrodo de carbono serigrafiado y tres tipos de nanopartículas (magnéticas, de oro y marcadoras de cadmio y plomo) que, añadidas a la muestra, permiten detectar múltiples patógenos simultáneamente.

El proceso comienza con la síntesis de unas partículas magnéticas diminutas con fragmentos de ADN capaces de reconocer la cadena de ADN complementaria de la muestra que los investigadores quieren detectar, y de unirse a ella mediante una primera hibridación. A continuación, añaden las partículas de oro que llevan incorporados a su vez diferentes fragmentos de ADN (‘barcode ADN’) y que se unen a las anteriores mediante una segunda hibridación.

Los fragmentos de ADN asociados a la partícula de oro llevan una marca en forma de nanopartícula de sulfuro de cadmio o sulfuro de plomo. En un estudio publicado por los investigadores de Michigan en 2010 en la revista científica Biosensors and Bioelectronics, cada uno de estos ADN marcados se une a un tipo de bacteria: el primero a la Salmonella enteritidis, y el segundo al bacilo del ántrax.

Por tanto, mediante esta tecnología, tras la doble hibridación, se obtiene lo que se conoce como estructura ‘sandwich’, en la que la secuencia de ADN que pretenden detectar está entre dos secuencias complementarias, una de las cuales tiene ya la nanopartícula que contiene plomo o cadmio como marca. A continuación, un imán atraerá las partículas magnéticas, y con ellas, a todo el ‘sandwich’. “De esta forma se consigue preconcentrar la cantidad de ADN del patógeno que se quiere detectar, lo que aumenta la calidad de la señal y la sensibilidad del sensor”, asegura Merkoçi.

Por último, mediante la disolución del sulfuro de cadmio y de plomo, se emiten iones de estos metales que son captados por el electrodo modificado que contiene el chip de nanoRETE. Este dispositivo está conectado a un instrumento de control y medición de la resistencia eléctrica, y éste a su vez a un aparato portátil similar a un teléfono móvil que ofrece la lectura final.

Además de este sistema de detección de ADN, el otro sensor que incorpora el kit resulta especialmente útil para verificar o descartar la presencia de bacterias. Mediante unas nanopartículas magnéticas eléctricamente activas a las que añaden un anticuerpo, los investigadores atrapan selectivamente las bacterias de las muestras de alimentos y las colocan en una membrana de detección situada en el electrodo, recubierta con un segundo anticuerpo que reconoce otra región de la bacteria. Tras ser esta atraída y fijada, se produce un efecto de interruptor abierto que queda registrado. “La parte activa de la nanopartícula genera una señal voltométrica cíclica”, explica Alocilja. ”Si no la detectamos, no hay célula capturada”, puntualiza.

Aunque este sensor no ofrece datos cuantitativos, puede ser útil para patógenos como la E. coli, cuya dosis infecciosa es muy baja, lo que obliga a detectar hasta su presencia más mínima en el agua o la comida para uso humano. Los investigadores probaron con éxito este sistema en 2008 con muestras de lechuga, leche y carne en las que detectaron la presencia de esporas de ántrax de forma rápida y fiable.

Pese a lo ventajoso de estos sistemas electroquímicos, para Susana Campuzano, investigadora del grupo de Electroanálisis y Biosensores Electroquímicos de la Universidad Complutense de Madrid (España), los dos enfoques que Alocilja planea incluir en su kit son muy diferentes y “no son fácilmente combinables”. El segundo sensor, que no requiere la costosa y compleja técnica de amplificación de ADN por PCR -que sí es imprescindible para el primero- tendría menos inconvenientes para trasladarse al mercado pero sus capacidades de detección simultánea de varios patógenos serían mucho más limitadas. “Los factores de amplificación que ofrece van a ser mucho menos impresionantes, ya no vamos a tener 300 secuencias de ‘barcode ADN’ para la detección por cada secuencia de ADN diana”, explica la investigadora.

En opinión de Merkoçi, sin embargo, la multidetección no tendría por qué ser un problema y podrían captarse hasta cinco patógenos diferentes dependiendo de las nanopartículas que se emplearan. Además de las de cadmio y plomo, podrían utilizarse más, por ejemplo, de zinc, indio o cobre.

Un punto en el que sí coinciden ambos investigadores es en que, aunque la detección en sí sea muy rápida, la incubación y preparación de las partículas y cadenas de ADN necesarias requieren profesionales expertos y un periodo de tiempo superior a una hora. Además, según Campuzano, la conservación de estos preparados que luego se usarán sobre el terreno “no es nada trivial”, ya que, por ejemplo, las nanopartículas de oro deben conservarse a 4 grados centígrados. “Los investigadores no especifican cuánto tiempo duran preparadas o si han detectado variabilidad entre los lotes”, comenta.

Para Merkoçi, la solución pasa por integrar todos los pasos previos en un solo dispositivo, lo que se conoce como 'lab-on-a-chip'. Este enfoque consistiría en incorporar desde la introducción y optimización de la muestra, pasando por la incubación de todas las partículas necesarias, hasta la detección, en un solo aparato. “La integración de la metodología en una plataforma así no ha sido definida y puede presentar otro escollo importante con vistas a su comercialización”, advierte Campuzano.

NanoRETE está financiada por el acelerador MAF-1 y se encuentra en proceso de búsqueda de inversores para poder lanzar su kit. El último apoyo a su propuesta ha llegado por parte del Instituto de Protección Alimentaria Global de Michigan, una organización orientada a la mejora de la seguridad alimentaria que acaba de escogerla como destino de inversión entre otras 40 start-ups de su campo.