Creating Biomedical Technologies to Improve Health

Sensores

¿Qué son los sensores?

En la medicina y la biotecnología, los sensores son herramientas que detectan procesos biológicos, químicos, o físicos  y luego transmiten o reportan esta información. Algunos sensores trabajan fuera del cuerpo, mientras que otros están diseñados para ser implantados dentro del cuerpo.

Algunos dispositivos de monitoreo constan de múltiples sensores que miden una serie de parámetros físicos o biológicos. Otros dispositivos pueden ser multifuncionales, incorporando sensores y luego suministrando un fármaco o intervención en base a la información obtenida de los sensores. Los sensores pueden ser también componentes en sistemas que procesan muestras clínicas, tales como los dispositivos cada vez más comunes conocidos como “lab-on-a-chip”.

Los sensores ayudan a los proveedores del cuidado de la salud y a los pacientes a monitorear las condiciones de la salud y asegurar que puedan tomar decisiones informadas sobre el tratamiento. Los sensores también se utilizan a menudo para monitorear la seguridad de los medicamentos, los alimentos, las condiciones ambientales, y otras sustancias que podríamos encontrar.

¿Cómo se utilizan los sensores en la práctica médica actual?

Termómetro digital

Los termómetros son un tipo de sensor comúnmente usado en el cuidado de la salud.

Muchos tipos de sensores diferentes se utilizan actualmente en el cuidado de la salud, incluyendo el auto-cuidado en el hogar. Los termómetros traducen la expansión de un fluido o la flexión de una tira de metal en respuesta al calor en un número correspondiente a la temperatura del cuerpo. Las pruebas de embarazo caseras a base de papel contienen una sustancia que cambia de color en presencia de hormonas que indican el embarazo. En los hospitales y otros entornos de atención de la salud, se pueden encontrar tipos más complejos de sensores como los oxímetros de pulso (también conocidos como monitores de oxígeno sanguíneo), que miden los cambios en la absorción de tipos especiales de luz en el cuerpo para proporcionar información sobre el ritmo cardiaco de un paciente y la cantidad de oxígeno en la sangre. 

¿Cómo podrían los nuevos sensores mejorar la atención médica o la investigación biomédica?

Los avances en la tecnología, la ingeniaría, y la ciencia de materiales han abierto la puerta a sensores cada vez más sofisticados para su uso en la investigación médica. Un grupo de investigadores financiados por el NIBIB desarrolló un sensor cerebral implantable, compacto e inalámbrico que puede registrar y transmitir datos sobre la actividad cerebral. Basándose en las interfaces de ordenador cerebral previamente desarrolladas y que usaban conexiones alámbricas, este nuevo sensor podría conducir algún día a prótesis discretas controladas por el pensamiento y a otros dispositivos de asistencia para personas con extremidades amputadas, parálisis, u otras discapacidades del movimiento. 

Proteínas fluorescentes en tubos de ensayo

Tubos de ensayo que contienen proteínas purificadas hechas para emitir fluorescencia en diferentes colores. Fuente: NIBIB

Los investigadores del NIBIB tienen como objetivo mejorar los sensores existentes a través de diversos medios, tales como hacer sondas fluorescentes más fáciles de ver, así como aumentar las capacidades y mejorar la eficiencia de los sensores individuales.

Algunos científicos están explorando sensores biológicos que dependen de las sustancias que se producen naturalmente en el cuerpo, o compuestos artificiales que imitan sustancias naturales, para capturar moléculas que es importante medirlas en el cuerpo. Los biosensores pueden proporcionar conocimientos sobre los procesos de la enfermedad que son difíciles de detectar directamente, como las disfunciones en procesos químicos del cerebro que se cree juegan un papel en muchos trastornos mentales.

Por ejemplo, un método para estudiar los procesos químicos en tiempo real utiliza células manipuladas que pueden ser “programadas” con receptores que se adhieren a sustancias químicas específicas del cerebro. La cadena de actividad resultante provoca que una proteína dentro de la célula cambie de color, la cual pueden detectar los investigadores con un cierto tipo de microscopio láser. Los biosensores permanecen activos en el cerebro durante varios días, permitiendo a los científicos estudiar los cambios en la química del cerebro a través del tiempo, lo cual puede ayudar a compartir esfuerzos para mejorar los tratamientos farmacológicos para trastornos mentales.

A pesar de que muchos sensores avanzados no son prácticos para los cuidados médicos de rutina, sí permiten a los investigadores estudiar los fundamentos básicos de la enfermedad con mayor detalle de lo que antes era posible, así como desarrollar nuevas tecnologías que podrían mejorar considerablemente la calidad de vida de personas con discapacidades severas. 

¿Qué tecnologías con sensores están desarrollando los investigadores financiados por el NIBIB?

Los sensores juegan papeles clave en todos los aspectos del cuidado de la salud—prevención, diagnóstico, monitoreo de la enfermedad, monitoreo del tratamiento—y la gama de investigación que involucra sensores es igualmente amplia. Además de las aplicaciones relacionadas con la salud, el NIBIB financia estudios para probar nuevos materiales y tecnologías para la construcción de sensores, desarrollar nuevos sensores que puedan promover la investigación médica, y promover una vida sana e independiente a través de sensores portátiles y del hogar.

Nuevos Materiales y Tecnologías

La buena salud requiere no sólo la protección de nuestros cuerpos, sino también cuidar la cosas que ponemos en nuestros cuerpos.  Investigadores financiados por el NIBIB desarrollaron un sensor utilizando una membrana delgada hecha de un tipo especial de plástico. Los investigadores cargaron la membrana con un compuesto que crea una diferencia de voltaje a través de la membrana en la presencia de Sulfato de Condroitina Sobresulfatado (OSCS, por sus siglas en inglés), un contaminante potencialmente mortal que a veces se encuentra en las preparaciones de la heparina, comúnmente usada como anticoagulante. El OSCS tiene por naturaleza una carga muy alta e interactúa con la membrana cargada del compuesto sin la necesidad de aplicar una corriente eléctrica externa. Al medir el voltaje, los científicos pueden identificar rápidamente las muestras contaminadas de OSCS antes de que se administre la heparina a un paciente. La reacción entre el OSCS y la membrana también es reversible, de modo que los sensores se pueden utilizar repetidamente. 

Un trabajador esteriliza equipo en un aislador

Un analista de control de calidad esteriliza equipo en un aislador.
Fuente: Sanofi / Eric Larrayadieu (Imagen de Interlinks), via Flickr CC-BY-NC-ND 2.0

Otra subvención del NIBIB apoyó la investigación para desarrollar un instrumento para detectar y monitorear los niveles de peróxido de hidrógeno en fase de vapor (VPHP, por sus siglas en inglés). El VPHP es mucho más fuerte que el tipo de peróxido de hidrógeno de uso común en la atención de primeros auxilios, pero tiene un uso similar: desinfectar y esterilizar los equipos e instalaciones de fabricación farmacéutica. Después de los procedimientos de esterilización, los fabricantes deben garantizar que los niveles de VPHP se reducen al mínimo para proteger a los trabajadores y la calidad del producto. Los investigadores desarrollaron un sensor que utiliza un nuevo tipo de láser altamente eficiente y extremadamente sensible, para monitorear continuamente los niveles de VPHP durante todo el proceso de esterilización. El sensor también puede detectar cuánto VPHP ha sido absorbido por el embalaje y otros materiales dentro de las instalaciones, tales como los aisladores estériles u otras barreras de protección.

Avances de la Investigación Médica

Muchas enfermedades se desarrollan y evolucionan como resultado de la mala regulación o disfunción de una serie de hormonas, neurotransmisores, y otras sustancias químicas importantes en el cuerpo. El seguimiento de dicha actividad química es importante para entender los procesos de la enfermedad, pero los sensores actuales son generalmente limitados en la cantidad de productos químicos que pueden ser analizados a la vez o requieren que dichos químicos sean primero etiquetados, lo cual incrementa en gran medida el tiempo, el costo y la complejidad de la detección mediante el sensor. Los investigadores financiados por el NIBIB buscan el mejoramiento de los sensores en diferentes maneras, tales como la creación de nuevos tipos de recubrimientos que mejoran la sensibilidad del sensor, la selectividad y la estabilidad; así como el desarrollo de una estrategia basada en fluorescencia para la detección de proteínas en organismos vivos y en tiempo real.

Vida Independiente y Saludable

Los sensores ambientales y móviles ya son parte de la vida cotidiana de muchas personas. Por ejemplo, los grifos que se activan automáticamente cuando coloca sus manos debajo de ellos y se apagan cuando termina de lavarse. La luces que se encienden cuando entra a una habitación. Bandas tipo pulsera que monitorean su actividad diaria, quizá incluso coordinadas con su teléfono inteligente, lo que le permite dar un seguimiento a los datos a través del tiempo o compartir su información con otros. El NIBIB apoya iniciativas para desarrollar tecnologías de sensores mejorados y de la información relacionada, para uso doméstico y móvil, que sustentan el bienestar y facilitan la administración coordinada de enfermedades crónicas. Por ejemplo, un equipo de investigación está trabajando para mejorar la capacidad de las “casas inteligentes” para darle sentido a los datos de los sensores en tiempo real y reconocer los cambios en los patrones de la actividad de un residente que puedan indicar cambios en el bienestar, tales como una caída o una alteración en el horario de los alimentos. 

Ilustración de una casa inteligente

Ilustración de una “casa inteligente” que muestra algunos tipos de sensores ambientales que pueden ser útiles para la vida diaria. Fuente: Diane Cook, Washington State University

1. Agente de Control de Inteligencia Ambiental

2. Sensor de Luz

3. Control de Ventanas y Puertas

4. Control de Climatización del Aire

5. Control de Luces

6. Alimentador Automático de Mascotas

7. Cortinas Motorizadas

8. Regador Automático 

9. Sensor de Buzón 

10. Sensor de Entrada de Automóviles  

11. Sistema de Seguridad

12. Sensor de Humedad de Césped

13. Sensor de Reconocimiento de Rostros

14. Sensor de Movimiento

15. Sensor de Puertas

16. Interface de Inteligencia Ambiental con Automóvil

17. Interface de Inteligencia Ambiental con Teléfono Inteligente

 

 

¿Cuáles son las áreas importantes para la investigación futura en los sensores?

Los tipos de sensores  que se están desarrollando y estudiando actualmente podrían jugar papeles clave en una expansión y cambio notable en lo que respecta a la atención médica.  Un área en particular que podría beneficiarse de la investigación en sensores es la de tecnologías de punto-de-atención (POC, por sus siglas en inglés).

Punto-de-atención se refiere al lugar donde los paciente reciben atención de la salud, que puede ser desde oficinas de atención primaria o clínicas comunitarias, hasta salas de emergencia o incluso los propios hogares de los pacientes. La investigación POC trata de abordar los obstáculos ante la atención de la salud que surgen a partir de la concentración de servicios en centros médicos y laboratorios altamente especializados. Las tecnologías POC pueden permitir a los proveedores de salud diagnosticar y tratar una condición de salud particular en una sola visita, de manera que los pacientes no necesitan hacer citas adicionales o esperar los resultados de sus pruebas. 

El sistema universal MIMED de punto-de-atención para la detección de patógenos

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

Además de financiar los estudios que buscan mejorar el proceso de fabricación de tecnologías POC de bajo costo, los esfuerzos financiados por el NIBIB ya están en marcha para desarrollar soluciones POC rentables para la detección de una variedad de condiciones médicas, incluyendo la influenza H5N1, las alergias, y otras enfermedades autoinmunes. Sensores miniatura implantables podrían monitorear continuamente el estado de salud de una persona, proporcionando información más precisa que los exámenes convencionales de enfermedades y una visión más clara de cuándo es necesaria una visita al médico. La integración de tecnologías de sensores inalámbricos compactos en dispositivos médicos o tratamientos crónicos, como la oxigenoterapia a largo plazo, podrían ayudar a reducir los costos de los tratamientos y ser más fáciles de usar por los pacientes. Dichas tecnologías pueden ser también compatibles con dispositivos móviles, permitiendo el monitoreo remoto y las evaluaciones en tiempo real.

Algunos de los retos de la investigación de sensores incluyen la simplificación y automatización de la preparación de las muestras de pacientes que se usarán en el punto-de-atención, así como la superación de la respuesta de rechazo natural del cuerpo a los sensores implantables o mínimamente invasivos.