Hoy en día prácticamente todo el mundo tiene acceso a un
teléfono móvil (cellular phone),
incluso en los países en vías de desarrollo. Por eso, los ingenieros están
desarrollando aplicaciones y modificaciones en los teléfonos móviles para
transformarlos en poderosos sistemas para diagnosticar de forma muy sencilla
enfermedades. Ya existen algunas aplicaciones que te permiten con un móvil
cuantificar el pH, el colesterol o la vitamina D de una muestra de saliva o de
sangre. Las posibilidades futuras son apasionantes.

Ahora, un grupo de ingenieros de la Universidad de Cornell
en Nueva York, han combinado un smartphone
con un sistema de calentamiento solar para realizar una reacción de PCR y
analizar en DNA viral de un paciente.

La reacción de PCR consigue la amplificación de una
secuencia concreta de DNA. Debido a su enorme sensibilidad, especificidad y
capacidad de cuantificar, la PCR se emplea de forma rutinaria para diagnosticar
gran cantidad de enfermedades. Un reacción
típica de PCR consiste en la acción cíclica de la enzima DNA polimerasa. Normalmente,
se combinan unos ciclos que van desde los 95ºC (desnaturalización del DNA)
durante unos 30 segundos, seguido de 60ºC durante unos 45 segundos (dónde
ocurre la unión específica de los cebadores con el DNA), y una etapa a 72ºC
durante un minuto y medio (dónde se lleva a cabo la extensión o síntesis del
DNA). Esta reacción se repite unas 30-40 veces de forma cíclica, con lo que se consigue
amplificar un trocito de DNA millones de veces, para poder así luego detectarlo
fácilmente.

Esta reacción de PCR se realiza en termocicladores, máquinas que son capaces de subir y bajar la temperatura
en rangos que van desde los 4ºC hasta cerca de 100ºC, en intervalos de tiempo
muy cortos y de forma cíclica. Para esto, se necesita energía, energía
eléctrica. Esta es una de las causas por las que la tecnología PCR es difícil de
realizar en zonas donde la infraestructura es limitada o no hay acceso fácil a
la energía eléctrica.

Las baterías de un móvil no son muy potentes y no son
capaces de llevar a cabo una reacción de PCR. Pero, el móvil sí que puede
ayudarnos a monitorizar y controlar la reacción, y la energía solar (de fácil
acceso, J está
en todas partes) se puede emplear para llevar a cabo la amplificación del DNA.

Para ello, han diseñado un pequeño chip con microcanales donde se crean las condiciones de temperatura
adecuadas para que ocurra la reacción de PCR. El chip está acoplado a una lente o lupa que concentra la luz solar
y proporciona la energía necesaria. El teléfono móvil controla los parámetros y es capaz de leer la reacción final.
Si ocurre la ampliación especifica, se genera una señal fluorescente que es
recogida y procesada por el teléfono móvil.

Para comprobar que el sistema funciona, lo han ensayado
primero con DNA de plásmidos y han sido capaces de detectar concentraciones de
10 copias/mL. Han comprobado también
que, en días soleados de verano, la reacción tarda en llevarse a cabo unas 12
horas.  Sin embargo, reconocen que las nubes que pueden aparecer durante el
día pueden afectar a la eficacia de la PCR. Una vez “puesta a punto”,
ensayaron con éxito la técnica con muestras de biopsias de piel de personas con
sarcoma de Kaposi, un tipo de cáncer muy frecuente en África y asociado a un virus
herpes, el virus herpes humano de tipo 8.
Ahora, los autores están buscando fondos para iniciar un ensayo clínico en África.

Es verdad que este sistema tiene el problema de que no puede
ser empleado en zonas donde el sol no se deje ver mucho o en días nublados. No
puedes decirle al paciente que espere al diagnóstico hasta que haga buen día,
pero la propuesta de unir chips, móviles y energía solar es muy interesante. Es
muy probable que en poco tiempo veamos en el mercado sistemas de diagnóstico
muy sencillos y baratos, aunque sofisticados, que ayuden a controlar las
enfermedades infecciosas allí dónde más se necesita: África

También te puede interesar esta otra entrada:

Bye-Bye PCR: el chip «prodigioso» que detecta bacterias en 30 minutos!

Jiang, L., Mancuso, M., Lu, Z., Akar, G., Cesarman, E., & Erickson, D. (2014). Solar thermal polymerase chain reaction for smartphone-assisted molecular diagnostics Scientific Reports, 4 DOI: 10.1038/srep04137 

Erickson, D., O’Dell, D., Jiang, L., Oncescu, V., Gumus, A., Lee, S., Mancuso, M., & Mehta, S. (2014). Smartphone technology can be transformative to the deployment of lab-on-chip diagnostics Lab on a Chip DOI: 10.1039/C4LC00142G

Son decenas
de miles los artículos científicos publicados sobre el empleo de esta técnica
para detectar patógenos microbianos. Pero la reacción de PCR también tiene
algunas limitaciones: emplea componentes enzimáticos muy sensibles que
requieren una cuidadosa purificación de los ácidos nucleicos (ADN o ARN) de la
bacteria, y sofisticados y caros termocicladores. Además, la técnica requiere ciertas
habilidades por parte del personal. Por eso, sigue siendo un reto el
desarrollar tecnologías sencillas y baratas que permitan un diagnóstico rápido
y preciso.

Un
grupo de investigadores canadienses han desarrollado un pequeño dispositivo que
combina un sistema para romper y lisar las bacterias con un biosensor
electroquímico ultrasensible capaz de detectar la bacteria. 

El chip
incluye un biosensor que contiene unas sondas (monocadenas de ADN específicas)
que al unirse o hibridarse con el ADN complementario de la bacteria generan una
respuesta electrocatalítica que se traduce una señal eléctrica detectable.

El
sistema integra en un único dispositivo todo lo necesario. Primero se introduce
a través de una jeringa en una cámara de
lisis la muestra problema, que contiene las bacterias.  Se aplica una descarga eléctrica capaz de
romper y lisar las bacterias, lo que libera sus ácidos nucleicos. La muestra
pasa al chip de detección que
consiste en unos microelectródos que detectan secuencias de ácidos nucleicos
específicas que se unen a sondas moleculares inmovilizadas en el sensor. Esta
reacción de hibridación genera una señal eléctrica fácilmente detectable en el
sensor. El proceso se completa en menos
de 30 minutos.

El chip
lo han validado con muestras de Escherichia coli (una bacteria
Gram-negativa) y de Staphylococcus (Gram-positiva y más resistente a la lisis).
Comprobaron que la descarga eléctrica era capaz de romper ambas bacterias y
liberar sus ácidos nucleicos. Y mediante hibridación con sondas específicas
detectaron cantidades tan pequeñas como 1 bacteria por microlitro! También lo
ensayaron con muestras de orina contaminadas con las mismas bacterias.  

Es el
primer sistema de detección “PCR-free” basado en un chip que incluye una cámara
de lisis acoplada a un microsensor ultrasensible.  Todos los componentes del sistema son muy
baratos y están integrados en un solo dispositivo muy fácil de usar.

Aunque
es necesario realizar más pruebas con diferentes tipos de microorganismos, a
distintas concentraciones y en muestras biológicas reales, no cabe duda que
este nuevo chip  “prodigioso” puede ser
el comienzo de una nueva revolución en la detección de microbios patógenos,
como lo fue en su día la PCR: la “vieja” PCR que quizá ahora pase ya a los
libros de historia!

Si te
ha gustado esta entrada quizá te interese esta otra también sobre microchips: Un sueño hecho realidad: diagnosticar enfermedades infecciosas en mitad de la sabana africana por unos céntimos de Euro en unos pocos minutos.

Lam, B., et al. (2012). Polymerase Chain Reaction-Free, Sample-to-Answer Bacterial Detection in 30 Minutes with Integrated Cell Lysis Analytical Chemistry, 84 (1), 21-25 DOI: 10.1021/ac202599b