Los biosensores cambiarán el futuro de la asistencia sanitaria

Monitoreo de los niveles de glucosa en la sangre a través de las lágrimas

Aunque a primera vista parecen unas lentes de contacto blandas normales, no se utilizan para corregir la visión. En realidad, estas lentes, que posibilitan la medición de los niveles de glucosa en la sangre tan solo con llevarlas puestas, son unos biosensores que aprovechan el sistema biológico. En la superficie de las lentes de contacto hay un elemento (glucosa oxidasa) que reconoce y mide la glucosa en las lágrimas.

Sensores de glucosa con forma de lente de contacto blanda. Cuando se realiza la medición, se recogen los datos conectando el cable a la parte del electrodo. (Fotografía cortesía del IBB)

“Se me ocurrió está idea cuando pensé que se podría usar el análisis de la saliva, el sudor o las lágrimas como un método no invasivo de conseguir información biológica y así evitar una experiencia dolorosa como es la extracción de sangre. Las lágrimas no están compuestas solo de agua; también contienen unos pequeños componentes líquidos sanguíneos. Además, se ha discubierto que existe una correlación entre el nivel de glucosa de las lágrimas y el nivel de la glucosa en la sangre. En este momento se está considerando cómo procesar los datos monitoreados”. El profesor Mitsubayashi Kōji, que lleva a cabo investigaciones utilizando sensores biológicos en el Instituto de Biomateriales y Bioingeniería (IBB, por sus siglas en inglés) nos comentó lo siguiente: “Evidentemente, gracias al presente estudio se están ampliando las posibilidades de las lágrimas para ser usadas con biosensores. Si es posible la detección a través del ojo, también se debería poder detectar con otros órganos”.

Originalmente, el IBB se estableció como un instituto de investigación de la Universidad de Medicina y Odontología de Tokio cuyo propósito era mejorar la calidad de los equipamientos dentales. Sin embargo, sus investigaciones no se ciñen únicamente al campo del equipo dental, sino que está encabezando la investigación a nivel mundial en los campos de moléculas biofuncionales, biomateriales y sistemas biológicos. La hidroxiapatita (material que se emplea para los huesos y los dientes) y la aleación de titanio (material que se emplea para los tratamientos dentales) son dos de los ejemplos más representativos de los resultados de la investigación del IBB que se han extendido por todo el mundo.

Debido a la creciente necesidad de la sociedad de órganos artificiales innovadores, los campos de investigación del IBB se están ampliando aún más. La investigación sobre los sensores tipo lente de contacto es uno de ellos. Este sensor tiene la ventaja de que puede medir los niveles de glucosa de forma continua sin que la persona que lo lleva puesto note ninguna molestia. Actualmente, solamente se consiguen recopilar los datos medidos conectando un cable al electrodo de la lente de contacto; no obstante, si se pudiese enviar los datos de forma inalámbrica a un dispositivo digital, como un PC o un teléfono inteligente, se posibilitaría la medición continua y su análisis sin que la persona notase nada.

En las personas sanas, cuando se eleva el nivel de azúcar en la sangre a causa de la ingestión de alimentos, el páncreas secreta de forma natural la insulina para reducirlo. Sin embargo, las personas con diabetes, como tienen deteriorada la función de aumentar la secreción de insulina para bajar el nivel de azúcar, dicho nivel aumenta. Los sensores tipo lente de contacto, al encargarse de las capacidades avanzadas de los biosensores y de las secreciones internas del ser humano, podrían ayudarnos a prevenir la diabetes y sernos útiles en su tratamiento temprano.

Reproducir el sistema corporal de control de glucosa en la sangre

El profesor Mitsubayashi Kōji es el jefe del Departamento de Dispositivos Biomédicos e Instrumentación en el IBB.

Mitsubayashi tiene en mente que los biosensores pueden servir, además de para monitorizar los niveles de glucosa en la sangre, para ayudar en el tratamiento de la diabetes. Ha aplicado la tecnología de biosensores con sistemas biológicos para desarrollar un páncreas artificial que secrete insulina. Lo que actualmente se llama páncreas artificial, es un tipo de bomba similar al corazón artificial impulsado por energía eléctrica; en cambio, el órgano artificial que Mitsubayashi está investigando convierte la energía química de la glucosa en energía cinética mediante la energía de la glucosa, con la que puede controlar la secreción de insulina.

Si podemos controlar la secreción de insulina en respuesta a la concentración de glucosa en la sangre, seremos capaces de reproducir el mismo mecanismo natural del ser humano artificialmente.

“Además de no ser un método invasivo, estamos desarrollando materiales biocompatibles cuyas características son muy cercanas a las del cuerpo. Asimismo, estamos avanzando en nuestras investigaciones concentrándonos en poder utilizar la energía química de los sistemas biológicos. Hay muchos órganos artificiales que emplean energía eléctrica, pero eso no significa que las personas se muevan mediante un mecanismo eléctrico. Los cambios químicos que ocurren en el cuerpo se emplean como señales para conocer el estado de la salud. Al mismo tiempo, creo que se podrían utilizar como energía para mover objetos”. 

Un modelo de páncreas artificial impulsado por la energía de la glucosa.

El área en la que mejor se desempeña el IBB es la fabricación de materiales altamente biocompatibles. El sensor fijado en las lentes de contacto también está recubierto con un material extremadamente biocompatible: un polímero denominado 2-Methacryloyloxyethyl phosphorylcholine (MPC), desarrollado por el IBB. El polímero MPC fue desarrollado como material de revestimiento para los vasos sanguíneos artificiales; como no absorbe las proteínas, no provoca la coagulación de la sangre y puede mantener su superficie lisa. Al hacer el recubrimiento con este material, se puede proteger el sensor de la suciedad que hay en las lágrimas y prevenir deterioros o fallos.

Aplicación del sistema desodorante humano para la detección de gas

La investigación de los dispositivos médicos del futuro que ha empezado con los biosensores está ampliando aún más sus horizontes. Por ejemplo, uno de los estudios que está actualmente en curso es la detección del gas emitido por el organismo, o dicho en otras palabras, de su “olor”. Que el gas y el olor de los excrementos que se han producido en el cuerpo no sea liberado fuera es debido a que el metabolismo de las enzimas hepáticas degrada los componentes del olor. Cuando el funcionamiento de las enzimas metabólicas del hígado se debilita, esto repercute en el olor corporal. Por lo tanto mediante el análisis del olor se puede evaluar el deterioro del sistema metabólico causado por el envejecimiento.

La investigación en la medición y visualización en tiempo real de los componentes del olor también está avanzando.

La aplicación de este excelente sistema desodorante está sirviendo para desarrollar sensores de gas muy sensibles. Se caracteriza por detectar el olor sin depender del sentido del olfato y por medir con gran precisión los componentes del olor utilizando las enzimas metabolizantes de drogas del hígado. Estos sensores se utilizan para medir componentes volátiles de baja concentración emitidos por las enfermedades o trastornos metabólicos y para comprobar el estado de salud. También se ha vuelto posible convertir el olor en información óptica; se ha descubierto una técnica para visualizar el olor como una imagen espacial con movimiento. Además, también se ha desarrollado una técnica para detectar con mucha precisión el formaldehído, altamente perjudicial para la salud, de modo que también se puede aplicar para la protección del medio ambiente.

“El cuerpo humano está dotado con un maravilloso sistema capaz de captar señales que incluso los sensores más avanzados no son capaces de detectar. Además, pueden llevar esto a cabo mediante la conversión de energía química sin usar electricidad. Este sistema puede ser una tecnología que no sólo ayude a la medicina y a la salud humana individual; también puede resultar muy útil para la sociedad y el medio ambiente. Puede que en un día no muy lejano la bioenergía sea una alternativa a la electricidad y se convierta en la energía del futuro”. 

Entonces, al sustituir la energía eléctrica por la bioenergía, se pasaría de la bioingeniería convencional a una bioingeniería de nueva generación capaz de aprovechar el propio sistema biológico humano y su bioenergía. Muy posiblemente, la clave para la solución del problema podría encontrarse desde un buen principio en el interior del ser humano.

(Escrito por Hayashi Aiko. Traducido al español del original en japonés. Fotografías de Hans Sautter.)