Nueva tecnología de sensores permite diagnóstico temprano de trastornos metabólicos y cardiovasculares

Los metabolitos son compuestos cruciales que impulsan las funciones vitales, desempeñando un papel clave en la producción de energía, la regulación de la actividad celular y el mantenimiento del equilibrio de los sistemas corporales. Mediante el monitoreo de estas moléculas, los científicos pueden obtener información valiosa sobre la aparición de enfermedades, la salud general, la respuesta a los tratamientos y el complejo funcionamiento de los sistemas biológicos. Sin embargo, las técnicas actuales de detección de metabolitos presentan limitaciones. La mayoría de los métodos se basan en análisis de laboratorio que requieren muchos recursos y que solo proporcionan breves instantáneas de muestras aisladas, mientras que los pocos sensores continuos disponibles se centran principalmente en el seguimiento de los niveles de glucosa en sangre. Los investigadores podrían haber encontrado una manera de superar estas limitaciones.

Un equipo interdisciplinario liderado por el Instituto de Nanosistemas de California en la UCLA (CNSI, Los Ángeles, CA, EUA) ha desarrollado una tecnología de sensores basada en procesos bioquímicos naturales, capaz de medir de forma continua y fiable una amplia variedad de metabolitos simultáneamente. Los investigadores consideran esta tecnología un complemento a los métodos de laboratorio tradicionales, como la espectrometría de masas, en lugar de un sustituto. Los científicos aún pueden utilizar los espectrómetros de masas para identificar compuestos de interés y, posteriormente, utilizar estos sensores para monitorizar dichos compuestos en tiempo real en sistemas vivos. Estos sensores están integrados en electrodos compuestos por diminutos cilindros conocidos como nanotubos de carbono de pared simple. Estos electrodos actúan como laboratorios bioquímicos en miniatura, utilizando enzimas y moléculas auxiliares llamadas cofactores para realizar reacciones que replican los procesos metabólicos del organismo. Dependiendo del metabolito objetivo, los sensores lo detectan directamente o lo convierten en una forma detectable mediante una serie de reacciones enzimáticas. La detección funciona mediante enzimas que catalizan reacciones de intercambio de electrones, generando una corriente eléctrica en la superficie de los electrodos, que puede medirse para determinar los niveles de metabolitos.

Además, otras enzimas del sistema actúan para prevenir señales falsas neutralizando moléculas interferentes, de forma similar a cómo las enzimas de nuestro cuerpo desintoxican sustancias. Reflejando la capacidad de ejecutar múltiples reacciones tanto en secuencia como en paralelo, los investigadores han denominado a esta tecnología "sensores basados en reacciones metabólicas en tándem" (sensores TMR). Los sensores enzimáticos tradicionales suelen admitir reacciones de un solo paso sin cofactores, pero al incorporarlos, los sensores TMR pueden detectar más de 800 metabolitos y cubrir más de dos tercios de los metabolitos del cuerpo con un solo paso de conversión. En una serie de experimentos, el equipo demostró que la tecnología podía medir de forma continua y sensible un conjunto de 12 metabolitos clínicamente importantes. Midieron con éxito metabolitos en el sudor y la saliva de pacientes en tratamiento para la epilepsia y de personas con afecciones similares a las complicaciones de la diabetes. El estudio, publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences, también reveló un metabolito derivado de bacterias intestinales en el cerebro que podría causar trastornos neurológicos si se acumula.

La capacidad de estos sensores para rastrear una amplia gama de metabolitos en diversos entornos biológicos presenta interesantes posibilidades para el avance de la salud humana y la investigación científica. Estos sensores podrían transformar la atención de enfermedades metabólicas y cardiovasculares al permitir diagnósticos más tempranos y precisos, así como la adaptación de tratamientos a perfiles metabólicos individuales. La tecnología también podría optimizar la condición física y el rendimiento atlético al rastrear cómo el cuerpo metaboliza la energía en diferentes condiciones. En el desarrollo de fármacos, estos sensores podrían proporcionar información en tiempo real sobre cómo los tratamientos influyen en las vías metabólicas, desde la evaluación de terapias contra el cáncer que inhiben el crecimiento tumoral mediante la inhibición enzimática hasta la monitorización de la producción de metabolitos bacterianos para la administración de antibióticos más específicos. Con numerosas aplicaciones potenciales, esta tecnología también es prometedora en la exploración de la conexión intestino-cerebro, un área en auge en la investigación biomédica. El equipo de investigación trabaja actualmente para adaptar su plataforma para abordar preguntas de investigación sin resolver y explorar nuevas oportunidades de diagnóstico.

“Décadas de investigación han mapeado las vías metabólicas naturales que vinculan los metabolitos con reacciones enzimáticas específicas”, afirmó el autor principal correspondiente, Sam Emaminejad, profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática en la Escuela de Ingeniería Samueli de la UCLA y miembro del CNSI. “Al adaptar enzimas y cofactores cuidadosamente seleccionados para diferentes funciones, nuestros electrodos replican estas complejas reacciones, lo que permite la detección fiable de un conjunto mucho más amplio de metabolitos que los sensores convencionales. Esta robustez proviene de la propia evolución: las enzimas y los cofactores, perfeccionados durante decenas de millones de años, son altamente sensibles, específicos y estables. Estamos aprovechando el diseño y la maquinaria molecular de la naturaleza para rastrear los procesos bioquímicos que sustentan”.

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