Creating Biomedical Technologies to Improve Health

El biosensor identifica rápidamente las infecciones urinarias

Tuesday, July 25, 2006

Un chip sensor revestido con sondas genéticas específicas de especie diseñadas por UCLA se colocan en el lector multi-canal que mide las corrientes eléctricas que salen de los sensores en el chip que detecta bacterias. Crédito: Reed Hutchinson

Un chip sensor revestido con sondas genéticas específicas de especie diseñadas por UCLA se colocan en el lector multi-canal que mide las corrientes eléctricas que salen de los sensores en el chip que detecta bacterias. Crédito: Reed Hutchinson

Las infecciones urinarias son un problema serio para la salud que afectan a millones de personas cada año. Resultan en más de 8 millones de visitas al médico* y más de un millón de hospitalizaciones cada año. El coste total del tratamiento alcanza billones de dólares. Una gran parte de ese gasto viene de tener que esperar 48 horas para hacer un cultivo de orina en el laboratorio. Es por esta razón que un nuevo sensor electroquímico que detecta e identifica el ADN bacteriano en 45 minutos es una excelente noticia.

"La práctica actual, que implica cultivar la orina durante 48 horas, es tan lenta que los médicos frecuentemente recetan en exceso antibióticos de amplio espectro para comenzar rápidamente el tratamiento. Esto ha conducido a tratamientos innecesarios en muchos pacientes y resistencias a fármacos en las bacterias que causan las infecciones urinarias", dice el Dr. Joseph C. Liao, un urólogo de la Facultad de Medicina de la Universidad de UCLA en Los Ángeles e investigador coprincipal de la investigación del sensor electroquímico. "Los antibióticos más antiguos como las penicilinas y trimetoprim-sulfametoxazol (Bactric) son con frecuencia ineficaces. El ciprofloxacino se utiliza comúnmente ahora, pero está aumentando la resistencia a dicho antibiótico". Liao añade que puesto que no hay antibiótico oral que sustituya al ciprofloxacino, es fundamental la necesidad de cambiar el método actual de tratamiento de las infecciones urinarias.

Resultados prometedores

Para identificar rápidamente bacterias, el detector cuenta con 18 sensores electroquímicos personalizados con una biblioteca de sondas de ADN que detectan la mayoría de las bacterias urinarias comunes. El proceso de detección funciona a nivel molecular: Cuando el ARN diana de la bacteria es reconocido por las sondas del sensor, se genera una señal eléctrica. El chip de la unidad transforma la señal en una lectura digital. El sensor es capaz de dar resultados cuantitativos puesto que cuantas más bacterias se unan a las sondas del detector, más fuerte será la señal.

El biosensor funcionó bien en un reciente estudio clínico: En las pruebas de muestras clínicas urinarias actuales, identificó la mayoría de las especies comunes bacterianas que se observan en las infecciones urinarias con una exactitud del 98%. "Esta generación de sondas piloto pueden identificar las 4 bacterias más comunes que causan infeccioens urinarias. Se están desarrollando más sondas pero la mayoría de las bacterías relevantes desde el punto de vista clínico están ya en la lista", dice Liao.

El nuevo detector representa una colaboración entre investigadores médicos liderados por Liao, y GeneFluidics, Inc., una empresa iniciada por Vincent Gau, PhD en ingeniería biomédica por la universidad de UCLA. Gau empezó a trabajar en su detector en 1998 para detectar armas biológicas de transmisión aérea pero cambió su camino hacia un instrumento de diagnóstico en el 2000. "El Departamento de Urología de UCLA y GeneFluidics recibieron una subvención de $5,6 millones del Instituto Nacional de Imágenes Biomédicas e Ingeniería (National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering, NIBIB) para desarrollar un prototipo y realizar un estudio clínico, y el Departamento de Urología es un socio de primera clase con el que colaborar en esta aplicación para infecciones urinarias", dice Gau.

Mejora continua

Además de las sondas específicas de especie que se utilizan en las pruebas clínicas, el equipo de Liao también desarrolló sondas "universales" que pueden, en teoría, detectar el ARN de cualquier organismo así como también el de bacterias muertas, consiguiendo así diagnósticos más precisos. "[En la práctica actual] si un paciente tiene un resultado negativo en un cultivo urinario, el médico asume que el paciente no tiene ninguna infección", dice Liao. "En realidad el paciente puede tener bacterias que no crecen bien en un entorno artificial de laboratorio por cualquier razón. Un método molecular rápido como el nuestro que no depende de la capacidad de la bacteria para crecer supera este problema".

En los meses posteriores a la finalización del estudio, los ingenieros de GeneFluidics han mejorado el biosensor de forma que, en ensayos preliminares, pueden identificarse bacterias urinarias en tan sólo 25 minutos frente a los 45 minutos que tardaba durante el estudio clínico.

Proceso de comercialización

GeneFluidics está negociando con varias empresas para comercializar la tecnología y espera tener un sistema listo para aprobación de la FDA en 2 años aproximadamente. Gau espera que el diseño comercial será capaz de hacer mucho más que encontrar bacterias en la orina: "Debe ser posible desarrollar detectores para analizar la saliva, la leche, el suero, el plasma y los medios de cultivo líquidos, y para detectar bacterias, virus y marcadores proteicos", dice. Estos resultados podrían ser interesantes para los médicos que estudian enfermedades infecciosas en otros sistemas de órganos u otros procesos de enfermedades no infecciosas.

Las mejores técnicas de fabricación y miniaturización ayudarán a crear un "laboratorio en un chip" que permitirá realizar todos los análisis químicos con un solo cartucho desmontable. "Eventualmente, aunque esto tardará varios años, el diseño podría conducir a kits que se venden sin receta para usar en casa, como los actuales kits de la prueba de embarazo", dice Gau.

Referencias

Liao JC, Mastali M, Gau V, Suchard MA, Møller AK, Bruckner DA, Babbitt JT, Li Y, Gornbein J, Landaw EM, McCabe ER, Churchill BM, Haake DA. Use of Electrochemical DNA Biosensors for Rapid Molecular Identification of Uropathogens in Clinical Urine Specimens, Journal of Clinical Microbiology 44: 561-570, 2006.

Gau V, Ma SC, Wang H, Tsukuda J, Kibler J, Haake DA. Electrochemical molecular analysis without nucleic acid amplification, Methods, 37: 73-83, 2005.

*Ambulatory Care Visits to Physician Offices, Hospital Outpatient Departments, and Emergency Departments: United States, 1999–2000. Vital and Health Statistics. Series 13, No. 157, Hyattsville, MD: National Center for Health Statistics, Centers for Disease Control and Prevention, U.S. Dept. of Health and Human Services, September 2004.

El Dr. David Haake sujeta el chip sensor electroquímico que se utiliza para detectar la bacteria que causa las infecciones urinarias. Crédito: Reed Hutchinson

El Dr. David Haake sujeta el chip sensor electroquímico que se utiliza para detectar la bacteria que causa las infecciones urinarias. Crédito: Reed Hutchinson