Biosensores de grafeno para detectar Covid19

Paloma Recuero de los Santos    2 septiembre, 2020

En un post anterior ya vimos cómo las propiedades físico-químicas del grafeno lo convierten en un material clave en la evolución del 5Ginternet de las cosas (IoT) y la industria 4.0. Hoy vamos a hablar de un interesante proyecto del Centro de Investigaciones Biológicas Margarita Salas (CIB-CSIC), que plantea el uso de bio-sensores portátiles de grafeno para diagnosticar la covid de forma rápida, fiable, barata y accesible.

Dos estrategias en la lucha contra la covid

En la lucha contra la pandemia hay claramente definidas dos estrategias complementarias, pero diferentes. Por un lado, la búsqueda de una vacuna capaz de enseñar a nuestro organismo cómo defenderse de la enfermedad. Y, por otro, encontrar un método diagnóstico barato, eficaz, fiable y accesible para las personas, sin necesidad de recurrir a médicos o laboratorios.

La rápida propagación, debida al gran número de asintomáticos, ha convertido la detección en un factor crucial para controlar el virus. Un virus que ha puesto en emergencia sanitaria a prácticamente todo el planeta, con  más de  21,8 millones de contagios y 774.000 muertos (según el recuento de la Universidad Johns Hopkins).

¿Cómo se detecta el virus?

En la actualidad, se realizan dos tipos de pruebas:

  • PCR (en inglés de “Reacción en Cadena de la Polimerasa”)
  • Test serológicos o de anticuerpos

Veamos en qué consiste cada una de ellas y cuáles son sus limitaciones.

PCR

Estas pruebas se utilizan desde hace años en todo tipo de crisis de salud pública relacionadas con enfermedades infecciosas. Se basan en la detección de material genético (ARN) del virus, patógeno o microorganismo, a partir de una muestra naso-faríngea. Son pruebas muy específicas (distinguen microorganismos muy cercanos evolutivamente), sensibles, y capaces de detectar el virus en las primeras fases respiratorias.

Como contrapartida, deben ser realizadas por personal especializado en laboratorios de Microbiología de hospitales, centros de investigación o universidades, y se puede tardar entre cuatro horas y varios días en obtener un resultado. Es por ello, que, a pesar de su eficacia, son necesarias pruebas diagnósticas más rápidas y baratas.

Test serológicos

Los test serológicos no identifican el ARN del virus, sino que sino que detectan:

  • Anticuerpos, proteinas generados por nuestro organismo para combatir al virus a partir de una muestra de sangre
  • Antígenos, detectan una molécula del virus, como por ejemplo, las espículas (S), a partir de muestras respiratorias de exudado nasofaríngeo
Fuente: CORONAVIRUS- TIPOS DE TESTS de BioChapas (vídeo completo al final del post)

Estos test son muy rápidos y pueden ofrecer resultados en tan sólo 15 minutos.

Para la detección de anticuerpos se basan en técnicas inmunocromatografía, cuyo funcionamiento es similar a los de los test de embarazo. Se deja caer una pequeña muestra de sangre en el dispositivo y, en unos minutos, se puede apreciar a simple vista la presencia (o no) de anticuerpos por medio de líneas de distinto color.

Los tests serológicos miden los niveles de Inmunobglobulina M (IgM) e Inmunoglobulina G (IgG). Los anticuerpos M (IgM), indican un proceso de infección aguda, mientras que los G (IgG), son los anticuerpos protectores que indican que el cuerpo ya ha desarrollado inmunidad.

El problema está en que una persona infectada de COVID 19 necesita una o dos semanas para empezar a producir anticuerpos. Por tanto, si se hace un test de este tipo durante esos días, el resultado sería un falso negativo“.

Figura 1: Los inmuno-ensayos de flujo lateral son dispositivos simples 
que pueden detectar anticuerpos en la sangre
Figura 1: Los inmuno-ensayos de flujo lateral son dispositivos simples
que pueden detectar anticuerpos en la sangre

Fiabilidad de las pruebas

Hemos visto, por tanto, que la fiabilidad de cada test depende mucho del momento de la infección. En los primeros días de evolución de la enfermedad, resultan más fiables las PCR. Sin embargo, a partir de los 7-10 días de enfermedad, se reduce la cantidad de virus en la nasofaringe, y resulta más fiable el diagnóstico por test serológicos.

La siguiente tabla, extraída del documento Interpretación de las pruebas diagnósticas frente a SARS-CoV-2 publicado por el Ministerio de Sanidad, resume la interpretación adecuada de cada prueba, según la fase de la enfermedad.

Figura 2: Tabla de interpretación de las pruebas diagnósticas fretne a SARS-CoV2
Figura 2: Tabla de interpretación de las pruebas diagnósticas frente a SARS-CoV2

Una posible solución basada en grafeno

Lo ideal sería poder detectar las inmunoglobulinas A (IgA), es decir, los anticuerpos presentes antes de que lleguen los síntomas, lo que permitiría detectar contagios en la fase inicial de la infección.

El equipo de Luisa Botella, del Centro de Investigaciones Biológicas Margarita Salas (CIB-CSIC), se ha puesto en marcha hace meses para encontrar una solución fiable, que dé la respuesta en unos segundos y en la fase inicial de la infección, antes de que el paciente infectado muestre los primeros síntomas.

El objetivo del estudio es crear un biosensor portátil, con una sensibilidad y precisión similar a las de las pruebas PCR, pero con la rapidez y sencillez de un test serológico. Para crear este sensor, se plantearon utilizar un sistema microfluídico integrado en una matriz de sensores de grafeno

¿Por qué el grafeno? Se eligió el grafeno, por sus especiales características que lo convierten en un material muy sensible, capaz de vehiculizar muchas más reacciones que otros soportes y de permitir que se acoplen muchas nanopartículas con las proteínas.

Paso 1: Fabricar y purificar la proteína S

El primer paso de la investigación se centró en fabricar y purificar la proteína S, spike o espícula del virus, que es la que le permite “conectarse” con el receptor celular y liberar su genoma en el interior de la célula que va a infectar. En el siguiente vídeo publicado por La Vanguardia, se resume de forma sencilla el proceso de contagio.

Paso 2: Acoplar la proteína a nanopartículas provistas de nanosensores de grafeno

A partir de ahí, los biotecnólogos acoplan esa proteína a unas nanopartículas (lipídicas o artificiales) que llevan nanosensores eléctricos. Estos nanosensores producen una señal cuando detectan la unión entre el anticuerpo y el antígeno S, es decir, cuando la muestra pertenece a una persona infectada con el virus

Paso 3: Puesta a prueba con muestras de control

Puesta a prueba del dispositivo con muestras de plasma procedentes de población control, libres de SARS-CoV-2. Una vez verificada su eficacia, se llevará a cabo la misma experiencia con plasmas de pacientes contaminados a diferentes etapas de la infección.

En palabras de la investigadora:

“El dispositivo permitiría la detección de la infección temprana (incluso asintomática) cuantificando las inmunoglobulinas IgA en la saliva; también permitirá determinar el curso de la infección en la fase aguda mediante la medición de la concentración de inmunoglobulinas IgM; y permitirá detectar la superación de la infección y la potencial inmunización del individuo mediante la determinación de inmunoglobulinas IgGs en plasma”

Luisa Botella

Conclusión

Este nuevo método diagnóstico basado en sensores de grafeno es rápido, eficiente y accesible. No será preciso recurrir a un médico o laboratorio y permitirá detectar los contagios en las fases más tempranas de la enfermedad. Estaremos pendientes de los avances de la investigación, que probablemente ofrezca ya un prototipo para 2021.


Terminamos con un interesante video-resumen, en el que, a pesar del tono cercano e informal, se explica de forma muy clara y precisa varios de los puntos que hemos tocado en este post.

Referencias:

Investigadores del CSIC participan en el desarrollo de un biosensor portátil de grafeno de detección rápida de Covid-19

Interpretación de las pruebas diagnósticas frente a SARS-CoV-2

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