Creating Biomedical Technologies to Improve Health

Un Chip Desechable Detecta Rápidamente las Partículas Infecciosas en el Punto de Atención

Friday, July 29, 2011

¿Son su tos y estornudos causados por un resfriado común, o una gripe porcina potencialmente mortal?

Ya que microbios diferentes (por ejemplo, la gripe estacional en comparación con la gripe porcina) causan muchos de los mismos síntomas, tener la información genética para identificar a una cepa en particular es fundamental para hacer un diagnóstico preciso y eventualmente contener un brote. Las pruebas actuales no son adecuadas para el uso en el punto de atención (en el consultorio del médico o clínica local), porque requieren de personal calificado de laboratorio para realizar las pruebas y puede tomar hasta varios días para obtener resultados. "En este país, por ejemplo, las pruebas rápidas actuales para la gripe son notoriamente falibles en el punto de atención", dice el investigador posdoctoral Scott Ferguson, de la Universidad de California en Santa Barbara (UCSB). Las pruebas rápidas para la gripe fallan en detectar la infección en hasta 50 por ciento de los casos y en ocasiones pueden ser positivas en las personas que no tienen la gripe. "Tener un método de detección más sensible en la clínica sería de gran valor", añade él.

Para abordar estas deficiencias, Ferguson está trabajando con su consejero de investigación, Tom H. Soh, Profesor Ruth Garland en UCSB, y sus colegas, para diseñar un sistema que integra tres procesos de laboratorio en un solo chip desechable. El sistema sería capaz de identificar con exactitud un microbio en el punto de atención, eliminando el tiempo y los gastos de envío de muestras a un laboratorio para su identificación por personal capacitado.

 

Purificar, Ampliar, Medir

El MIMED es una sistema universal para la detección de patógenos en el punto de atención. El chip desechable de 6x1 cm. integra la preparación de muestras y la detección de secuencias específicas, y puede identificar microbios en muestras biológicas, de agua, de alimentos, y de muestras forenses que no son procesadas.

The MIMED system is a universal point-of-care pathogen detection system. The 6x1 cm disposable chip integrates sample preparation and sequence-specific detection and can identify microbes in unprocessed biological, water, food, and forensic samples.

Un dispositivo, apodado MIMED (por sus siglas en inglés) [lo que significa Detector Electroquímico de Microfluidos Magnéticos Integrados], combina la preparación de muestras (purificación y amplificación genética) y la lectura electroquímica para detectar los virus directamente de las muestras del paciente. En las primeras pruebas, MIMED fue capaz de detectar hasta diez virus de la influenza H1N1 echados en muestras tomadas de la garganta de Ferguson—una hazaña impresionante dado que la detección de cantidades tan pequeñas de un microbio en una muestra biológica compleja es como encontrar un trébol de cuatro hojas en un prado.

La preparación efectiva de la muestra es crucial para la detección molecular. Después de disolver la capa exterior viral con un detergente para liberar el material genético, los investigadores añaden perlas magnéticas recubiertas de anticuerpos a la muestra tomada de la garganta e inyectan la mezcla en el chip. Los anticuerpos capturan el material genético viral, y un imán externo sostiene las perlas en una cámara del chip, mientras que los investigadores lavan las enzimas que degradan objetivos y otros materiales de la muestra que interfieren con la prueba. La concentración de los objetivos en esta forma permite la detección de microbios raros en las muestras biológicas no procesadas. Después, el material genético viral es amplificado—replicado en muchas copias—y se convierte en ADN de una sola cadena (ssDNA, por sus siglas en inglés), el cual puede ser detectado mediante un sensor electroquímico.

El sensor genera una señal eléctrica cuando el ssDNA objetivo se une a la cadena de ADN (la sonda) correspondiente en el sensor. "La fuerza de la señal que detectamos se correlaciona con la cantidad inicial de las partículas virales", explica Ferguson. El MIMED puede detectar hasta 10 partículas virales en una muestra en aproximadamente 4 horas, cuando otros métodos de diagnóstico molecular que pueden distinguir entre las cepas virales toman uno o más días. El chip es 100 veces más sensible en comparación con otras pruebas rápidas para el virus de la gripe porcina. "Estamos tratando de hacer la detección extremadamente sensible", dice Soh.

 

Un Chip para Todas las Estaciones

Para probar el rendimiento del MIMED, los investigadores echaron el virus H1N1 (gripe porcina) en muestras tomadas de la garganta, añadieron perlas magnéticas recubiertas con anticuerpos anti-H1N1, y colocaron la mezcla en el chip. Los anticuerpos capturan el material genético viral, y un imán externo sostiene las perlas en la cámara de preparación de muestras, mientras que se lavan los residuos, purificando y concentrando efectivamente el objetivo. Después, se amplifica el material genético viral y se convierte en ADN de una sola cadena. La detección electroquímica de secuencia específica ocurre en la cámara de detección. El dispositivo MIMIED es 100 veces más sensible que otras pruebas rápidas para el virus de la gripe porcina.

To test MIMED’s performance, researchers spike H1N1 (swine flu) virus into throat swab samples, add magnetic beads coated with anti-H1N1 antibodies, and drop the mix onto the chip. The antibodies capture the viral genetic material, and an external magnet holds the beads in the sample prep chamber while the waste is washed away, effectively purifying and concentrating the target. The viral genetic material is subsequently amplified and converted to single-stranded DNA. Sequence-specific electrochemical detection takes place in the detection chamber. The MIMED device is 100 times more sensitive than other rapid tests for swine flu virus.

Ferguson y Soh concibieron el MIMED con una visión de aplicación universal en el punto de atención. El dispositivo es capaz de detectar los patógenos en una variedad de muestras biológicas complejas, tales como la sangre, la orina, o la saliva. El sistema también podría ser adaptado para detectar un amplio rango de concentraciones de microbios. Mientras el código genético sea conocido, se puede diseñar la sonda de ssDNA para detectar cualquier microbio. Y usando sensores múltiples, el chip podría detectar simultáneamente varios microbios diferentes en la misma muestra. En los casos en que un paciente presenta síntomas comunes a enfermedades múltiples, esta prueba individual podría determinar la causa real de la enfermedad. Más allá de la clínica, la detección rápida y precisa también podría ser muy útil en el monitoreo de la seguridad de los alimentos y el agua, la medicina forense, y el monitoreo ambiental.

En el futuro, los investigadores esperan que el chip del MIMED será acompañado con un instrumento que integre bombas, calentadores, tubos, y otros elementos del sistema. El costo de la fabricación del chip propio podría ser menos de un dólar. "El chip desechable entraría en un instrumento, al igual que una impresora de tinta; se encargaría de toda la preparación de muestras, y no se necesitaría de ninguna intervención humana", dice Ferguson.

Soh comenta que queda mucho por hacer antes de que la tecnología esté lista para su uso en la clínica. El laboratorio está trabajando en agentes de captura alternativos y robustos para reemplazar a los anticuerpos, de modo que pudieran ser utilizados en el punto de atención sin necesidad de refrigeración. El equipo de investigación de Soh también está muy interesado en la medición en tiempo real de la cantidad de patógeno en una muestra, un enfoque que podría advertir cursos de tratamiento más eficaces.

Soh ya está pensando en formas de aplicar esta tecnología a la detección en vivo de objetivos que no pueden ser amplificados, como las proteínas. El está particularmente interesado en las proteínas que indican la presencia o progresión de la enfermedad, tales como el antígeno prostático-específico para el cáncer de próstata, el factor de crecimiento-BB derivado de las plaquetas para el crecimiento del cáncer, y varias proteínas microbianas para enfermedades infecciosas. Según Soh, "Este trabajo ha demostrado lo que se puede hacer con los objetivos genéticamente amplificables, pero los objetivos que no llevan información amplificable son, por definición, más difíciles". El añade que su equipo tiene que pensar en formas innovadoras para detectar niveles bajos del objetivo patógeno directamente en muestras crudas y complejas.

Este trabajo es apoyado por el Instituto Nacional de Bioingeniería e Imágenes Biomédicas y el Instituto de Biotecnologías Colaborativas, Oficina de Investigación del Ejército.

 


Ferguson BS, Buchsbaum SF, Wu TT, Hsieh K, Xiao Y, Sun R, Soh HT. Genetic Analysis of H1N1 Influenza Virus From Throat Swab Samples in a Microfluidic System for Point-of-Care Diagnostics. J Am Chem Soc. 2011 Jun 15;133(23):9129-35. Epub 2011 May 24

http://pubs.acs.org/cen/news/89/i21/8921scene5.html

http://engineering.ucsb.edu/sohlab/biosensors.html