Creating Biomedical Technologies to Improve Health

Microchip Óptico Rastrea Moléculas para Investigación y Aplicaciones Clínicas

Thursday, January 31, 2008

La técnica Backscatter Interferometry (BSI) depende de un rayo de luz que hace rebotar miles de moléculas en líquido. El rayo de luz que refleja hacia una cámara ultra rápida contiene un patrón óptico llamado bordes de interferencia. La información recolectada de este patrón permite a los investigadores determinar si dos moléculas se están combinando. La técnica ofrece esperanzas para los diagnósticos clínicos, el desarrollo de medicamentos, y la biodefensa. Fotografía de: Daniel Dubois, Universidad de Vanderbilt.

Backscattering interferometry relies on a beam of light ricocheting off thousands of molecules in liquid. The light beam that reflects back to a high-speed camera contains an optical pattern called interference fringes. The information gathered from the pattern allows researchers to determine whether two molecules are combining. The technique shows promise for clinical diagnostics, drug development, and biodefense.
Photo credit: Daniel Dubois, Vanderbilt University

Las cataratas son la causa principal de la ceguera en el mundo. Veinte millones de personas de 40 años de edad o mayores en los Estados Unidos tienen cataratas. A los 80 años de edad, más de la mitad de los estadounidenses tienen cataratas. No está claro qué es lo que causa las cataratas, o la nubosidad del lente ocular, pero un nuevo aparato basado en una novedosa técnica óptica llamada Backscatter Interferometry (BSI) está ayudando a los investigadores a determinar el papel que puedan jugar ciertas proteínas especializadas en el detenimiento de la formación de cataratas.

Darryl Bornhop, quien desarrolló dicho aparato y es Profesor de Química en la Uniersidad de Vanderbilt, trabajando en colabaración con su equipo y con Hassabe Mchaourab, Profesor de Biofísica y Fisiología Molecular, están examinando el papel que juegan las proteínas de choque térmico al guardar la proteína del lente en su lugar apropiado. El lente, compuesto principalmente de proteína y agua, ayuda a enfocar la luz en la retina. La proteína en el lente está organizada de una manera precisa que mantiene el lente limpio y permite que la luz pase a través de el. A medida que envejecen los lentes, algunas de las proteínas se aglomeran – debido a que las proteínas se doblan – y empiezan a nublar una pequeña área del lente, formando una catarata.

Bornhop explica que “Las proteínas de choque térmico actúan como chaperones, interfiriendo con el mecanismo no deseado de doblamiento de proteínas y estimulando a la proteína de regreso a su estado nativo”. Cuando se empiezan a aglomerar las proteínas, las proteínas de choque térmico interfieren para detener el doblamiento.

Este es sólo un ejemplo del impacto que el aparato de “micro-chip” de Bornhop, sencillo pero altamente sensible, está teniendo en la investigación de laboratorio. El aparato mide un amplio rango de interacciones entre las moléculas, incluyendo antígenos-anticuerpos para la deteccion de enfermedades, el enlace ADN-ADN, y las combinaciones de proteína-proteína.

El rastreo de interacciones entre moléculas yace en el corazón del desarrollo de medicamentos, los diagnósticos clínicos, y la investigación de enfermedades. Pero el proceso de detección requiere a menudo de grandes cantidades de muestras y de la intervención química en forma de agentes de imágenes o de la inmovilización de alguno de los reactivos. El aparato BSI no requiere de tal química especializada para rastrear las interacciones. M.G. Finn, Profesor de Química del Instituto de Investigación Scripps en LaJolla, California, dice que “Este trabajo es potencialmente revolucionario. Es económico, increíblemente sensible, y básicamente una tecnología de enchufar-y-usar”.

 

Óptica Simple

El aparato BSI se basa en un arreglo óptico simple: un láser de helio-neón, un chip de microfluidos de vidrio o plástico que sostiene la muestra, una cámara ultra rápida, y un software de análisis. Un espejo dirige la luz láser hacia la muestra en el canal dentro del chip para producir un abanico de luz dispersa. Dentro de este rayo de luz, se encuentran bordes de interferencia, o patrones ópticos, que cambian al interactuar las moléculas. El software de análisis rastrea los cambios en los bordes. Debido a que la luz rebota muchas veces dentro de la muestra, la técnica BSI es altamente sensible y detecta los cambios de una parte por millón en picolitros de solución – un poco más difícil que encontrar un aguja en un pajar.

Robert Flowers, Profesor de Química en la Universidad de Leigh, menciona que “El aspecto más importante del trabajo de Bornhop es el hecho de que es libre de marcadores y en solución libre. La preparación de muestras requiere de trabajo intensivo en la mayoría de los análisis. Esto implica quizá varias horas de preparación y luego un experimento de dos horas”. Con el aparato de Bornhop, se hace un par de inyecciones pequeñas dentro del chip de microfluidos y el experimento comienza. Flowers – quien ha utilizado dicho aparato para estudiar las interacciones de las proteínas – indica que las concentraciones muy pequeñas de las muestras y la facilidad de uso de este aparato lo hacen especialmente atractivo para trabajo de laboratorio, además de que ofrece “información maravillosamente reproducible”.

 

Ventajas Sobre Métodos Actuales

Una de las herramientas clave utilizadas para medir la concentración de una molécula en un fluido es la técnica ELISA (Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay). Esta técnica altamente confiable puede determinar la presencia de infecciones, hormonas, o drogas ilícitas, pero requiere de la unión química de la muestra con moléculas conocidas. La técnica ELISA es uno de los ensayos estandar que usa el CDC (Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades). Al comparar la técnicaELISA con la técnica BSI, Bornhop dice que un investigador del CDC describió a la técnica BSIcomo “ELISA bajo el efecto de esteroides” menos la química. Dos ventajas clave que el chip BSItiene sobre otras técnicas sin marcadores, usadas para rastrear interacciones de moléculas, son la alta sensibilidad y la facilidad de uso. La técnica BSI es 10,000 veces más sensible que la ténciaITC (isothermal titration calorimetry), un método en el que un cambio de temperatura indica el enlace de una molécula con otra. Aí mismo, los estudios BSI necesitan de 100 a 1,000 veces menos masa o volúmen de muestra que los ITC. En la resonancia de plasma superficial una de las moléculas bajo estudio debe estar ligada a una superficie. Cambios en la superficie indican una interacción molecular. A pesar de que esta técnica es más sensible que la ITC, la preparación de muestras requiere de trabajo intensivo y es más costosa, además de que no puede alojar moléculas desconocidas.

Finn dice que “Hay muchas herramientas disponibles para detectar un número limitado de variables. Pero con el aparato de Bornhop, puedes crear rápidamente un módulo de detección para observar una combinación de variables”.

 

¿Qué sigue?

Bornhop y su colega Scot R. Weinberger fundaron la empresa Molecular Sensing Inc. en 2006 para comercializar el aparato BSI. Esta empresa, de la bahía de San Francisco, se enfocará inicialmente en sistemas para investigación de laboratorio, pero espera desarrollar una serie de aparatos portátiles para aplicaciones de diagnósticos clínicos, farmacéutica, y biodefensa. Bornhop planea mejorar aun más la sensibilidad del aparato y su facilidad de uso. El espera que tenga dispinobilidad comercial para fines de 2008.

Este trabajo está apoyado en parte por el Instituto Nacional de Bioingeniería e Imágenes Biomédicas (NIBIB).

 

Referencias

Bornhop DJ, Latham JC, Kussrow A, Markov DA, Jones RD, Sorensen HS. Free-solution, label-free molecular interaction studies by back-scattering interferometry. Science. 2007 Sept 21;317:1732-6.

National Eye Institute. http://www.nei.nih.gov/news/pressreleases/032002.asp.