Los sensores biomiméticos son una manera de medir registros específicos en medicina de los parámetros fisiológicos de un paciente, tales como la extracción de sangre o una endoscopia, determinando así el estado de salud o enfermedad y estableciendo un tratamiento.
Sin embargo, los sensores biomiméticos también prometen convivir con nosotros en el día a día. Pensando en factores como el sudor, la glucosa excretada a través de la piel, el sistema gastrointestinal o el cerebro, se pretende diseñar maneras en las que podamos medir esos marcadores y diferenciar la enfermedad de la salud de modo no invasivo.
Dada la especial relevancia que esta materia está alcanzando, Springer Nature y la Fundación Areces acaban de publicar una monografía que recoge las conferencias de la duodécima edición de Ciclos de conferencias y debates, organizada por estas dos instituciones el pasado mes de febrero. En estas conferencias, expertos en ingeniería, biomedicina y bioética se reunieron para discutir las novedades en el desarrollo de sensores biomiméticos avanzados, incluyendo dispositivos capaces de monitorizar fluidos humanos a través de la piel (sudor, saliva o lágrimas) o de ser ingeridos, y su aplicación para monitorizar y tratar enfermedades.
Estas herramientas están inspiradas en el funcionamiento de los sistemas biológicos, ya que son capaces de monitorizar los patrones fisiológicos y responder de forma precisa a estímulos biofísicos. Los dispositivos ofrecen esperanza para muchos pacientes, como aquellos que sufren diabetes o enfermedades neurológicas, y representan una ventana para el avance en el conocimiento del cuerpo y la mente humanos.
Como explica Erika Pastrana, directora editorial de las revistas Nature en el área de las ciencias aplicadas y químicas, y moderadora del evento, «por definición, estos sensores biomiméticos son poco invasivos o no invasivos y se integran en el cuerpo, conviviendo con nosotros, a la vez que permiten monitorizar al paciente a lo largo de su vida. Ese es el reto».
Para esta doctora en Bioquímica y Biología Molecular, el desarrollo de la electrónica en los últimos años ha sido extraordinario, permitiendo una gran capacidad de miniaturización y de comunicación inalámbrica, lo que ha facilitado que esos sensores biomiméticos sean capaces de comunicarse con el exterior. Por otro lado, «hemos asistido al desarrollo de materiales que permiten actualmente a los microelectrodos, por ejemplo, ser flexibles, intercalarse o superponerse en la piel y ser wearables; es decir, son elementos que se pueden poner y llevar con uno mismo a todas partes sin ser una molestia», continúa la directora editorial de Nature.
Interacción cerebral, desafío para los sensores biomiméticos
En su conferencia, George Malliaras, profesor de tecnología en la División de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Cambridge, expone algunas de las aportaciones de estas tecnologías para el avance del conocimiento del cerebro y del tratamiento de enfermedades neurológicas.
En particular, cuenta con una gran experiencia en dispositivos flexibles desarrollados por su grupo de investigación, recursos que se superponen en la superficie del propio cerebro y que permiten recibir señales eléctricas de neuronas individuales e, incluso, se están desarrollando también como efectores de terapias.
«La electrónica implantable es una tecnología muy prometedora para el entendimiento del cerebro y sus patologías«, comenta el profesor Malliaras, «los microelectrodos de polímero pueden medir las neuronas individualmente sin penetrar en el cerebro, algo que ya se está empleando en la práctica clínica».
Además, los dispositivos electroforéticos pueden liberar el fármaco dentro del cerebro de una forma seca, sin el disolvente, con una excelente resolución espaciotemporal. Solo se ha probado en modelos animales, pero hay muchas expectativas puestas en su futura aplicación en humanos. «Utilizando la tecnología de microfluidos es posible conseguir implantes expandibles, lo que permite minimizar la invasividad de la cirugía cerebral y de la médula espinal«, concluye Malliaras.
Terapia cerebral personalizada
A diferencia de la desarrollada por el equipo de Malliaras, la innovadora tecnología presentada por Neuroelectrics es completamente no invasiva, ya que se superpone encima del cráneo de los pacientes para monitorizar y actuar sobre la actividad cerebral.
El modelo de electroestimulación no invasiva se basa en tres pasos: 1) la monitorización del cerebro; 2) la evaluación y toma de decisiones, con el empleo de la plataforma tecnológica desarrollada, para establecer un abordaje personalizado, y 3) la intervención terapéutica con seguimiento.
Según Ana Maiques, socia fundadora y directora ejecutiva de esta empresa española, con la identificación de la disfunción del circuito eléctrico que se halla bajo muchos trastornos cerebrales se proporcionará una terapia mejor dirigida.
En los últimos años, se han cumplido algunas de las promesas ofrecidas por este tipo de recursos y se ha podido comprobar la capacidad de esta tecnología para tratamientos de enfermedades como la epilepsia. «La generalización de este tipo de tecnologías va a modificar la forma clásica de interactuar de los humanos; ya no va a ser una comunicación simplemente verbal o sensorial, sino que va a estar basada en la actividad cerebral», afirma Naiques.
No obstante, advierte la empresaria, «estas tecnologías plantean algunos conflictos bioéticos que debemos ser capaces de resolver en los próximos años: ¿Quién tendrá acceso a ellas? ¿Es posible potenciar la inteligencia de ciertos humanos? ¿Será una herramienta de discriminación social? ¿Cómo afecta a la identidad y privacidad personales?».
Microbioma cutáneo
Una de las facetas más interesantes del campo de la biomimética es que los científicos están usando la ingeniería para poner la naturaleza al servicio de la medicina. Uno de los ejemplos más impactantes son las bacterias, principal campo de especialización de Marc Güell, miembro del Departamento de Ciencias Experimentales y de la Salud de la Universidad Pompeu Fabra de Barcelona.
Este experto ha trabajado durante un largo período de tiempo en el uso de técnicas de ingeniería genética para la modificación de células, con métodos como el CRISPR. Marc Güell conoce bien el papel que estas tecnologías han adquirido en el contexto de la alteración del microbioma y del tratamiento de ciertas enfermedades.
Sin embargo, en esta ocasión se centra fundamentalmente en la aplicación de esas bacterias modificadas por medio de técnicas de bioingeniería para la detección de señales en la piel. Esto implica el uso de bacterias que residen en nuestra piel como sensores de metabolitos y marcadores fisiológicos que se pueden detectar por vía cutánea.
Así, se está consolidando una caja de herramientas para hacer una eficiente ingeniería del microbioma de la piel y desarrollando dispositivos con funcionalidades útiles, incluidos dentro de un programa de diseño y generación de sensores o de un programa terapéutico.
«Ya se ha logrado que bacterias modificadas genéticamente permanezcan en la piel de sujetos sanos y se incorporen al microbioma ya existente«, aclara Güell. «El objetivo es que esta metodología pueda usarse para estudiar y modificar los componentes microbianos de la piel y tenga amplias implicaciones para futuras terapias e investigaciones en el microbioma de la piel y enfermedades asociadas».
Desafío en sensores biomiméticos: cápsulas inteligentes
También con una amplia experiencia en ingeniería en bacterias, Rabia Tugce Yazicigil, profesora adjunta del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática en la Universidad de Boston, trabaja en la actualidad con investigadores del Massachusetts Institute of Technology (MIT), para desarrollar cápsulas inteligentes.
El objetivo es que en unos años no sea necesario tomar un fármaco concreto cuando se prescriba un tratamiento, sino que se espera que estas cápsulas se integren en el cuerpo y sean capaces de detectar los valores fisiológicos del biomarcador en seguimiento y entonces actuar, administrando el medicamento de manera inteligente y personalizada, en el momento adecuado y a la dosis precisa.
El grupo de investigadores de Yazicigil ha realizado progresos muy importantes en el ámbito de la bioelectrónica, haciendo posible la transformación de esas cápsulas en detectores que procesen información, especialmente cuando existe inflamación del sistema gastrointestinal. «Con la nueva versión del dispositivo microbioelectrónico ingerible, seremos capaces de ofrecer una detección de biomarcadores mínimamente invasiva, rápida y coste-efectiva para el tracto gastrointestinal«, apunta la investigadora.
Se han obtenido grandes beneficios con estos sensores biomiméticos bacterianos, que son ambientalmente resistente/resiliente, aportan avances naturales para la detección de restos de sangre en el tracto gastrointestinal y poseen una alta sensibilidad y especificidad. Tras exitosas experiencias en modelos animales, actualmente se están desarrollando nuevas versiones de estas tecnologías para la realización de pruebas en humanos.
«Nuestro biosensor es fruto de una combinación perfecta de la biología y la electrónica para transformar el diagnóstico y un avance importante para el control de enfermedades», concluye Yazicigil.
