Creating Biomedical Technologies to Improve Health

Microchip Mide Mucho en un Poquito

Friday, January 30, 2009

Este precursor al microchip de inmunoafinidad reciclante fue capaz de medir 10 sustancias en la misma muestra biológica. El instrumento fue usado originalmente para medir biomarcadores del sistema inmunológico en puntos de sangre seca obtenidos de niños con parálisis cerebral.

This forerunner to the recycling immunoaffinity microchip was able to measure 10 substances in the same biological sample. The instrument was originally used to measure immune system biomarkers in dried blood spots obtained from children with cerebral palsy.

A pesar de no ser detectables a simple vista, los procesos moleculares que se llevan a cabo dentro de las células y tejidos del cuerpo humano tienen consecuencias considerables para el riesgo de enfermedad y el tratamiento. Los científicos han desarrollado maneras de inferir el estatus de estas actividades midiendo proteínas específicas – a menudo llamadas biomarcadores – en la sangre y otros fluidos del cuerpo. Desafortunadamente, la mayoría de las técnicas de laboratorio requieren viales de sangre para obtener información acerca de solo unas cuantas de estas pequeñas proteínas – un panorama no atractivo para los pacientes y posibles participantes de la investigación.

Este acertijo causó bastante frustración para el Dr. Terry Phillips, actual investigador del Instituto Nacional de Bioingeniería e Imágenes Biomédicas (NIBIB). Phillips quería examinar muestras de bebés recién nacidos, en busca de señas de inflamación. Niveles elevados de proteínas inflamatorias sugerían la presencia de enfermedad e infección y podrían ser indicativas de futuros problemas de salud. Sin embargo, Phillips pudo obtener información acerca de solo unas cuantas proteínas a la vez y comprendió que necesitaba una nueva herramienta. “Tuvimos que desarrollar microsistemas que pudieran medir múltiples biomarcadores de los que pudiéramos inferir lo que estaba ocurriendo en el sistema inmunológico”, comenta él.

Siendo químico en inmunología, Phillips sabía lo útiles que podían ser los anticuerpos para extraer moléculas de interés de muestras biológicas. Decidió desarrollar un aparato para llevar a cabo cromatografía de inmunoafinidad reciclante (RIC, por sus siglas en inglés), la cual se refiere a la separación de múltiples moléculas de interés de una sola muestra usando anticuerpos altamente selectivos. Phillips organizó cuidadosamente una serie de tubos de ensayo, cada uno con un anticuerpo capaz de reconocer una proteína implicada en la inflamación. Al ir girando manualmente las válvulas que conectaban los tubos, transfirió muestras de un tubo de ensayo al siguiente. Mientras la muestra fluía, cada anticuerpo extrajo su proteína objetivo. Phillips etiquetó luego con un tinte las proteínas objetivo y las midió. El procedimiento funcionó – se pudieron medir 30 proteínas en el equivalente a una gota de sangre, dando a Phillips una imagen más completa de la actividad inflamatoria. Sin embargo, el proceso fue tedioso, haciéndolo impráctico para investigación a gran escala.

Phillips ha casi perfeccionado la tecnología varios años después de su descubrimiento inicial. El ahora modifica chips de microfluidos comercialmente disponibles para llevar a cabo la RIC. Estos chips son completamente automatizados y aún más eficientes, requiriendo el equivalente a menos de 1 por ciento de una gota de sangre para medir 30 proteínas. Además, una vez construidos, los chips pueden ser usados para evaluar hasta 200 muestras antes de que los anticuerpos se tengan que limpiar y recargar.

 

Investigadores Obtienen Más Respuestas de Menos Muestras

El microchip de cromatografía de inmunoafinidad reciclante fue desarrollado en NIH utilizando un chip micro-mezcaldor comercialmente disponible. El microchip es capaz de medir hasta 30 sustancias diferentes en una sola muestra.

The recycling immunoaffinity chromatography microchip was developed at NIH using a commercially available micromixer chip. The microchip is capable of measuring up to 30 different substances in a single sample.

El microchip de RIC permitió que Philips aprendiera más acerca de la inflamación en los recién nacidos, pero la tecnología tiene implicaciones más allá de cualquier proyecto individual de investigación. “Podemos poner cualquier anticuerpo que usted guste en el chip”, dice Phillips. “Podemos construir un chip para cualquier cosa, siempre y cuando puedas obtener anticuerpos y ver qué tan buenos son”. Este fascinante potencial ha atraído la atención de varios científicos. Phillips ha diseñado y construido, junto con el técnico biomédico Ed Wellner, microarreglos para un número de estudios innovadores de investigación.

El Dr. Giovanni Cizza, del Instituto Nacional de la Diabetes y Enfermedades Digestivas y del Riñón, y la Dra. Esther Sternberg, del Instituto Nacional de Salud Mental, son parte de un grupo interesado en la inflamación en mujeres con historia de depresión. Unos cuantos estudios anteriores han tratado de caracterizar las proteínas inflamatorias llamadas citocinas en esta población, pero debido a las limitaciones en volumen de sangre se pudieron medir solo unos cuantos de estos biomarcadores. “Eso no es bueno”, explica Cizza, “porque las citocinas actúan en cascadas, y medir solo unas cuantas ofrece realmente sólo una imagen parcial”.

En cromatografía de inmunoafinidad reciclante, muestras fluyen a través de un arreglo espiral de micro-columnas, cada una de las cuales contiene un anticuerpo inmovilizado diferente. Mientras la muestra pasa a través de cada columna, los anticuerpos extraen y retienen su sustancia objetivo a la vez que permiten que el resto de las muestras pasen a la siguiente columna.

In recycling immunoaffinity chromatography, samples flow through a serpentine array of micro-columns, each of which contains a different immobilized antibody. As the sample passes through each column, the antibodies extract and retain their target substance while allowing the rest of the sample to pass to the next column.

Phillips y Wellner crearon un microchip para medir las citocinas de interés en cantidades diminutas de sangre obtenidas continuamente durante 24 horas. Phillips estuvo de acuerdo cuando Sternberg preguntó si el método podía utilizarse también para analizar el sudor. El equipo investigador pudo obtener un número de biomarcadores importantes usando “parches de sudor”. Estos parches, muy similares a un vendaje adhesivo, se pegan a la piel y absorben la transpiración excretada por el cuerpo. A diferencia de una extracción de sangre, este método no molesto y no invasivo permite que se obtengan muestras mientras que los pacientes realizan actividades normales cotidianas. Utilizando el arreglo personalizado, Cizza, Sternberg, y colegas descubrieron que mujeres con trastorno depresivo mayor tienen niveles más altos de diversas proteínas proinflamatorias y relacionadas con estrés. La habilidad para detectar y monitorizar estas proteínas podría ayudar a los médicos a identificar pacientes con alto riesgo de desarrollar enfermedades relacionadas con inflamación, tales como enfermedad cardiovascular, diabetes, y osteoporosis, las cuales son todas prevalentes en personas con depresión. La Dra. Sternberg reflexiona en las contribuciones del Dr. Phillips a este estudio: “Necesitamos sus métodos extremadamente sensibles y específicos para poder hacer esto. No hubiera sido posible hacerlo sin sus técnicas”.

La habilidad del microchip para analizar múltiples proteínas en muestras muy pequeñas está también abriendo puertas para otros investigadores. La tecnología es extremadamente útil para los científicos de laboratorio que trabajan con pequeños modelos animales o cultivos celulares de baja densidad. Lo hace también factible para extraer información significativa de material valioso de archivo, como las muestras de sangre obtenidas de bebés recién nacidos.

 

En Expectativa de Aplicaciones Clínicass

Hasta ahora, el microchip RIC se ha usado solamente para aplicaciones de investigación, pero es fácil imaginar cómo la tecnología podría transformar el cuidado de pacientes. “Yo creo que será una herramienta muy útil en el futuro”, comenta Phillips emocionado. “Ciertamente no veo ninguna limitación para ello por el momento”. Por ejemplo, los microchips podrían ser una manera efectiva de obtener “huellas dactilares” moleculares relevantes a un número de procesos fisiológicos y características clínicas, que podrían usarse para diagnosticar enfermedad o predecir la respuesta a terapia. El laboratorio de Phillips está trabajando también para hacer que el chip y su lector sean portátiles de manera que puedan usarse para análisis point-of-care así como en ambientes de hospital.

Esta investigación está apoyada por el programa intramuros del Instituto Nacional de Bioingeniería e Bioingeniería e Imágenes Biomédicas.

 


Phillips, TM. Multi-analyte analysis of biological fluids with a recycling immunoaffinity column array. J Biochem Biophys Methods. 2001; 49(1–3):253–62.

Cizza G, Marques AH, Eskandari F, et al. Elevated neuroimmune biomarkers in sweat patches and plasma of premenopausal women with major depressive disorder in remission: the POWER study. Biol Psychiatry. 2008;64(10):907–11.