Contra la tuberculosis: innovaciÓn

La tuberculosis es una enfermedad altamente contagiosa, que se transmite cuando individuos con infección activa tosen sin tomar precauciones higiénicas, y sabemos que, sin tratamiento, cada enfermo es capaz de infectar de 10 a 15 personas en un año. Pero, ¿cómo detectarlo?: comúnmente, si un individuo es sospechoso de padecer tuberculosis, el diagnóstico disponible se basa en observar al microscopio una preparación con muestras de su esputo, en la cual se busca el bacilo que es teñido de manera específica. Este es un método de diagnóstico rápido; no obstante, entre 3 y 7 de cada 10 enfermos no pueden ser detectados. Ante tal incertidumbre, el siguiente paso para personas con sospecha de padecer la enfermedad, es colocar una muestra de esputo en un caldo de cultivo y observar el crecimiento del microorganismo. Suena sencillo, y sería una buena alternativa, de no ser porque el microorganismo presenta un crecimiento extremadamente lento, ocasionando que el diagnóstico demore entre 6 y 8 semanas. En suma, el diagnóstico de la tuberculosis sigue basándose en tecnologías desarrolladas desde hace más de un siglo, y la innovación es el tema que este año ha sido seleccionado para la Campaña Mundial del Día de la Tuberculosis (cada 24 de marzo, en conmemoración del descubrimiento del bacilo).

IDONEIDAD DEL BIOCHIP EN DIAGNOSIS

Actualmente, existen métodos de diagnóstico que pueden arrojar resultados en un corto lapso, como los métodos moleculares, basados en detectar material genético del cromosoma bacteriano, o formas novedosas para detectar el crecimiento de una bacteria en un caldo de cultivo. Sin embargo, la aplicación de estos métodos requiere de equipo altamente sofisticado y personal experto; por ejemplo, el uso de métodos moleculares implica la amplificación de material genético y su detección con reactivos y equipo especializados, mientras que el cultivo del patógeno, transmisible por vía aérea, sólo puede ser realizado en laboratorios con alto nivel de bioseguridad. Desgraciadamente, tal infraestructura no se encuentra al alcance de poblaciones desfavorecidas, como las comúnmente atacadas por tuberculosis y muchas otras enfermedades infecciosas.

En tal sentido, con la miniaturización de sistemas electrónicos, ha surgido la posibilidad de desarrollar herramientas bioquímicas a un bajo costo. En particular, es factible contar con sistemas de sólo unos cuantos milímetros, capaces de realizar pruebas de laboratorio de manera independiente; es decir, sistemas que constituyen –literalmente hablando– un pequeño laboratorio y pueden ser transportados y utilizados con facilidad. En nuestro grupo hemos apostado por el desarrollo de uno de estos sistemas para detectar tuberculosis: los biochips.

LOS MEMS

Los biochips con los que trabajamos consisten en sistemas electromecánicos miniaturizados o MEMS (por sus siglas en inglés: MicroElectroMechanical Systems). Los MEMS son estructuras electromecánicas micrométricas capaces de generar y responder a señales tanto eléctricas como térmicas.

Estos dispositivos cuentan con partes móviles diseñadas con la tecnología de los chips –circuitos integrados de computadora–, por lo que, al igual que en los chips, el principal material para su fabricaciónes el silicio cristalino (más silicio policristalino, en la tecnología específica que nos interesa). Mecánicamente, el silicio es un material casi ideal, que se puede procesar para lograr patrones geométricos con gran precisión dimensional. Cabe destacar que el silicio amorfo, el carburo de silicio y algunos metales como el níquel, también pueden ser utilizados para el mismo fin.

A diferencia de los circuitos integrados, los dispositivos MEMS tienen la capacidad de responder a señales eléctricas, así como a señales térmicas, ópticas, magnéticas y mecánicas. Estos sistemas son una muestra de cómo un proceso de diseño para sistemas totalmente electrónicos permite producir con gran precisión engranes, membranas, espejos, agujeros e, incluso, micromáquinas (actuadores) en miniatura que pueden mover micro y nanopartículas, bioorganismos o mover fluidos con un volumen de nanolitros, así como regular flujos a través de microválvulas confeccionadas con el mismo material –silicio– (figura 1).

Debido a varias características, tales como su bajo costo de fabricación, reducida demanda de energía y facilidad en su ensamblaje, los MEMS son, actualmente, partes comunes de controladores de vuelo y de elementos miniaturizados en emisores de radio, así como de teléfonos celulares, bocinas o televisores. Recientemente, los MEMS han comenzado a ser explorados también para múltiples aplicaciones biomédicas. Por ejemplo, algunos grupos se interesan en desarrollarlos para detectar moléculas cuya abundancia de un fluido biológico se encuentra relacionada con enfermedades metabólicas. Entre ellos destacan, por su avance, aquéllos enfocados a detectar glucosa en la sangre de personas diabéticas, o sistemas para la medición, en suero, de metabolitos que se acumulan en individuos con fibrosis hepática.

PROYECTO INTERINSTITUCIONAL MEMS

Ante la importancia de esta investigación, se conjuntaron esfuerzos por consolidar la tecnología de los MEMS en México; en 2009, el Conacyt apoyó la creación de una red interinstitucional, en torno al Programa Nacional para el Diseño y Fabricación de Módulos MEMS, conocido en forma breve, como Programa MEMS-México, en el que participan, de manera conjunta e interdisciplinaria: el Centro Nacional de Metrología (donde labora el Coordinador de la Red, el doctor Horacio Estrada), la Universidad Autónoma de Ciudad Juárez, el Instituto Politécnico Nacional, el Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica, la Universidad Veracruzana y la UNAM. En varios de esos centros existe una importante experiencia en el diseño, fabricación y uso de MEMS, y la idea de esta red es conjuntar esfuerzos y capacidades. En diciembre de 2009 se formalizó un convenio mediante el cual se obtuvo el apoyo de los Sandia National Laboratories, en Nuevo México, EUA, uno de los centros más avanzados en el desarrollo de MEMS a nivel mundial. La idea es adoptar esta tecnología, formar estudiantes de licenciatura y posgrado y desarrollar conjuntamente MEMS con estas instituciones, así como con la industria en México. Entre los varios proyectos que se tiene considerados, se enfatizan las aplicaciones médicas, las cuales son ciertamente importantes.

DESARROLLO DE BIOCHIPS

Nuestro proyecto está centrado en la implementación –dentro de un MEMS– de sistemas capaces de captar anticuerpos dirigidos contra el microorganismo productor de tuberculosis y de generar, a través del mismo dispositivo, una señal visible a simple vista. Hasta este momento, hemos seleccionado y purificado un producto de la bacteria que servirá como reactivo de diagnóstico, una vez demostrado que los anticuerpos presentes en la sangre de los infectados, reaccionan ante este producto.

Así mismo, las estructuras de los MEMS permiten medir con facilidad un fenómeno ampliamente utilizado para diagnosticar enfermedades: la interacción entre un reactivo de diagnóstico y componentes de fluidos biológicos especialmente abundantes en una determinada patología. Por ejemplo, un reactivo diagnóstico puede ser fijado en una superficie de silicio, metal o polímero semiconductor de un MEMS; si dicho reactivo es reconocido por algún componente plasmático, el soporte sufrirá cambios físicos medibles, tales como la capacidad para conducir electricidad o el peso sobre el soporte. En un MEMS, la medición de estos cambios es un proceso común –ya que puede dar cabida a celdas electroquímicas para medir conductividad– o a componentes que generen una señal ante variaciones de peso –como cristales de cuarzo, cuyas propiedades ópticas son sensibles a cambios mínimos en el peso soportado–. Así, una de las mayores ventajas de monitorear reacciones biológicas en un MEMS es la posibilidad de prescindir de marcadores secundarios específicos para poner en evidencia una reacción, lo cual reduce de manera significativa el costo de la medición.

El desarrollo de este biochip para detectar tuberculosis permitirá cubrir una de las necesidades más urgentes en materia de salud pública, el diagnóstico rápido de esta enfermedad, ante la cual unas 58 personas resultan diariamente expuestas en nuestro país. Por otro lado, el estudio sentará las bases para, posteriormente, aplicar los protocolos de este diseño al diagnóstico de otras enfermedades, tales como sida, dengue, influenza, cirrosis o síndrome metabólico.

Agradecimientos

Este trabajo forma parte de los esfuerzos de la red Conacyt “Programa MEMS-México”. Los autores agradecen a Sandia National Laboratories (EUA) las facilidades para el desarrollo de MEMS, y a Alicia del Real (UNAM) por las micrografías electrónicas.

Lectura recomendada

>> New Diagnostics Working Group of the Stop TB Partnership. Pathways to Better Diagnostics for Tuberculosis. A Blueprint for the Development of TB Diagnostics. Switzerland, World Health Organization, 2009, 151 pp. [http://www.stoptb.org/wg/new_diagnostics/
assets/documents/BluePrintTB_annex_web.pdf]

FIGURAS

AnimaciÓN