Creating Biomedical Technologies to Improve Health

Novedoso Sistema de Laboratorio-en-un-Chip Decodifica la Enfermedad

Wednesday, December 22, 2010

El crecimiento sin control del virus de inmunodeficiencia humana (VIH) causa que los pacientes desarrollen el síndrome de inmunodeficiencia adquirida (SIDA). Sin embargo, aproximadamente 1 de cada 300 pacientes infectados por el VIH no contraen SIDA porque su sistema inmunológico suprime el virus. Los sistemas inmunológicos de estos “controladores del VIH” contienen las células-T especializadas que restringen el crecimiento del virus de manera que es casi indetectable en su sangre. Los investigadores quieren saber por qué las células-T de los controladores del VIH son tan efectivas en limitar la capacidad del VIH para duplicarse y esperan que la comprensión de cómo trabajan sus células-T ayudará al desarrollo de vacunas efectivas contra el SIDA.

Para investigar este fenómeno, los científicos se están enfocando en bioensayos o tecnologías de laboratorio-en-un-chip. Un nuevo enfoque desarrollado por un equipo del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT por sus siglas en inglés) podría ayudar a los investigadores del SIDA a detectar las proteínas específicas en las células-T de los controladores del VIH que mantienen a raya el VIH. “Ninguna herramienta nos ha permitido hacer esto hasta ahora”, dice el investigador del SIDA Bruce Walker, director del Instituto Ragon en Boston, MA. Walker está colaborando con el equipo del MIT para desarrollar nuevos bioensayos de células-T.

La técnica de bioensayos del MIT implica un proceso de tres pasos. En primer lugar, se fabrican micropartículas individuales utilizando materiales bio-amigables y un proceso de fotomáscara (al extremo izquierdo). Luz ultravioleta (UV) pasa a través de una máscara con un código de barras pre-modelado y llega al hidrogel que está fluyendo. El material se fusiona e imprime un código de barras único. En segundo lugar, las micropartículas seleccionadas se mezclan con muestras de tejido (al centro) y las sondas en la partícula se conectan con blancos en la muestra. Finalmente, los blancos en la muestra son detectados cuando las micropartículas pasan a través de un rayo de luz (a la derecha). Cuando la luz llega a un código de barras que coincide con el blanco dentro de la muestra, la partícula emite una señal fluorescente.

The MIT bioassay technique involves a three-step process. First, individual microparticles are fabricated using bio-friendly materials and a photomask process (far left). Ultraviolet (UV) light passes through a mask with a pre-patterned barcode and hits the flowing hydrogel. The material fuses together and imprints a unique barcode. Second, selected microparticles mix with tissue samples (middle) and probes on the particle link with targets in the sample. Finally, targets in the sample are detected as the microparticles passthrough a beam of light (right). When the light hits a barcode that matches a target in the sample, the particle gives off a fluorescent signal.

Desarrollado por Patrick Doyle del MIT, profesor asociado de ingeniería química, y por el ex-alumno Daniel Pregibon, el nuevo sistema de bioensayos implica tres actividades: fabricar micropartículas únicas, mezclar las micropartículas con muestras de pacientes, y escanear la mezcla resultante con un sistema de detección ultra-rápida. "La flexibilidad en cómo creamos nuestras partículas nos permitirá entregar clases de ensayos completamente nuevas", dice Doyle. "Este es un proceso muy escalable y sencillo. No es sólo polvo de hadas en mi laboratorio".

 

Decodificando Dominós

Para crear las micropartículas, Doyle y Pregibon tomaron prestada una página de la industria de la computación y el uso de una técnica fotomáscara. En esencia, las partículas se forman cuando un rayo de luz ultravioleta (UV) pasa a través de una plantilla de código de barras y una lente de microscopio y golpea a dos corrientes de material bio-amigable llamado hidrogel. Una corriente contiene sondas – secuencias de ADN y proteínas – y la otra corriente contiene agentes de imágenes fluorescentes. Cuando la luz UV llega al hidrogel, une a las dos corrientes e imprime el código de barras predeterminado en el material.

Las micropartículas resultantes se parecen a pequeños dominós y varían en tamaño entre 10 y 100 micras (del tamaño de un glóbulo rojo a la anchura de un pelo humano). Un lado de la partícula contiene códigos de barras que identifican una secuencia de ADN o proteína específica, y el otro tiene material de sonda que se liga a un blanco correspondiente en la muestra.

Para ejecutar un ensayo, los investigadores primero seleccionan micropartículas con códigos de barras que coinciden con los componentes específicos que desean estudiar. Después mezclan las partículas con la muestra. En el caso de la investigación del VIH, las muestras de sangre del paciente son mezcladas con micropartículas codificadas para identificar las proteínas producidas por células-T. Durante el proceso de mezcla, las secuencias de ADN o proteínas de la muestra emigran a la micropartícula y se unen con secuencias de ADN y proteínas concordantes.

Para ver estas conexiones, la mezcla se coloca en un detector de alto rendimiento. Cuando los micropartículas fluyen a través de un rayo láser, una señal fluorescente se activa si existe una equivalencia entre un blanco en la muestra y el ADN o la proteína en la partícula. El análisis computarizado de las señales fluorescentes decodifica cada partícula, identificando los tipos de moléculas blanco que están ligadas a la partícula y, según la intensidad de la señal, la cantidad de cada blanco en la partícula. Sólo se necesita una muestra muy pequeña porque el sistema de detección puede identificar moléculas blanco en concentraciones extremadamente bajas.

El enfoque del MIT avanza la tecnología típica de bioensayos porque usa materiales biocompatibles, puede identificar y cuantificar biomoleculas múltiples simultáneamente, y es económico. A diferencia de los materiales plásticos y metálicos que se utilizan para hacer algunas micropartículas, el hidrogel retiene agua y permite que las reacciones biológicas ocurran en tres dimensiones, no sólo en la superficie. Este aumento en la capacidad de datos mejora la sensibilidad de las pruebas. El proceso de fabricación de dominó puede generar más de 1 millón de códigos individuales para identificar los compuestos de interés. Los sistemas disponibles en el mercado generan alrededor de 100 códigos. Debido a que el sistema de detección utiliza un solo láser, los costos de detección se mantienen bajos.

 

Diagnostico y Más

Nuevas investigaciones muestran que los microARNs – moléculas que controlan la actividad de proteínas – juegan un papel clave en la progresión de las enfermedades. El desarrollo de un sistema para detectar microARN podría ayudar en el diagnóstico de cáncer y otras enfermedades. Doyle y Pregibon recientemente aplicaron su técnica para identificar el microARN asociado con el cáncer de pulmón. Usando tejido de las biopsias de cáncer del pulmón, el sistema sólo tomó tres horas para identificar moléculas de microARN con una precisión de 98 por ciento. Esta detección rápida es una reducción de ocho veces el tiempo requerido cuando se usan métodos convencionales de micromatrices.

Pregibon, quien co-fundó Firefly Bioworks en 2009 para comercializar la tecnología, también está desarrollando una versión clínica del sistema de escaneo. El visualiza un sistema portátil que los médicos pueden utilizar en sus oficinas para diagnosticar enfermedad. Con el tiempo, Pregibon predice que el sistema podría convertirse en un modo rutinario para monitorizar la salud de un paciente. “En el futuro, el diagnóstico será la mejor forma de tratamiento”.

La investigación sobre el VIH y el diagnóstico de cáncer son sólo dos aplicaciones de la técnica de diagnóstico de micropartículas. Además, debido a que el sistema de escaneo puede detectar miles de biomoleculas a la vez, podría convertirse en una herramienta vital para el desarrollo de nuevas terapéuticas mediante la determinación del efecto de fármacos en el cuerpo. El proceso de fabricación del MIT ofrece a las empresas de fármacos un nuevo enfoque para la producción de farmacéuticos. Los sistemas actuales basados en lotes pueden tomar semanas para completarse a causa de los múltiples pasos involucrados. El enfoque del MIT es continuo y puede producir más de 10.000 partículas completas en una hora. Las partículas bio-amigables en sí podrían encontrar aplicaciones en productos de consumo como protector solar o champú ya que más y más fabricantes están mirando a la nanotecnología para mejorar sus productos.

Este trabajo fue financiado en parte por el Instituto Nacional de Bioingeniería e Imágenes Biomédicas.

 


Chapin SC, Appleyard DC, Pregibon DC, Doyle PS. Rapid microRNA profiling on encoded gel particles with a high-throughput microfluidic scanner. (In press).

Bong KW, Chapin SC, Doyle PC. Magnetic barcoded hydrogel microparticles for multiplexed detection. Langmuir. 2010; 26(11):8008-14.

Chapin SC, Pregibon DC, Doyle PS. High-throughput flow alignment of barcoded hydrogel microparticles. Lab on a Chip. 2009; 9:3100-09.

Pregibon DC, Doyle PS. Optimization of encoded hydrogel particles for nucleic acid quantification. Anal Chem. 2009; 81(12):4873-81.

Pregibon DC, Toner M, Doyle PS. Multifunctional encoded particles for high-throughput biomolecule analysis. Science. 2007 Mar 9; 315:1393-6.