Un sensor inalámbrico que se usa como anillo puede detectar niveles hormonales en el sudor de una persona. Crédito: Caltech
Un biosensor portátil que mide las hormonas de fertilidad en el sudor
Un dispositivo en forma de anillo combina nanoelectrónica y ARN plegado para rastrear los niveles hormonales sin necesidad de análisis de sangre invasivos.
Amanda Heidt
Los investigadores han diseñado un biosensor portátil en forma de anillo para monitorear la hormona estradiol en el sudor humano. La tecnología es un avance no invasivo y de acción rápida con respecto a los métodos convencionales para rastrear la fertilidad y la salud de las mujeres.
El sensor de un sólo uso, descrito en un estudio publicado el 28 de septiembre en Nature Nanotechnology, combina microfluídica y tecnología emergente de electrodos con un grupo de moléculas llamadas aptámeros para medir los niveles hormonales en tiempo real, alimentando una creciente demanda de tecnología que pone la atención de la salud personalizada en manos de los pacientes (1).
“El artículo constituye un excelente trabajo, y el hecho de que puedan monitorear esta hormona de forma no invasiva a partir del sudor es emocionante”, dice Madhu Bhaskaran, ingeniero que desarrolla sensores y tecnologías portátiles para el cuidado de la salud en la Universidad RMIT en Melbourne, Australia. “Se trata de hacer un diagnóstico que tenga una vida útil prolongada pero que sea lo suficientemente sensible y pueda usarse en el hogar, lo cual es un verdadero desafío”.
Anteriormente, las personas que necesitaban controlar sus niveles hormonales tenían que viajar a clínicas para realizarse análisis de sangre o enviar muestras recolectadas en casa a un laboratorio. Pero esas opciones tienden a ser invasivas y requieren mucho tiempo, y aunque algunas pruebas caseras utilizan orina, sus resultados son menos precisos. La sangre sigue siendo el estándar de oro, pero los investigadores están cada vez más interesados en otros fluidos y la información de salud que contienen.
“Sabemos, por ejemplo, que hay biomarcadores clínicamente relevantes presentes en nuestro sudor, pero en concentraciones extremadamente bajas”, afirma Wei Gao, bioingeniero del Instituto de Tecnología de California en Pasadena y coautor del estudio. Hasta el momento, no se han desarrollado sensores ni dispositivos portátiles dirigidos específicamente a las hormonas reproductivas presentes en el sudor. El estradiol, el foco del trabajo actual, desempeña funciones clave en la fertilidad y la salud de las mujeres, son áreas de investigación que siguen sin recibir financiación suficiente , a pesar de una “fuerte demanda de tecnologías que brinden a las personas más información sobre su estado menstrual y de fertilidad”, afirma.
Anticuerpos químicos
Mientras que la mayoría de los biosensores utilizan anticuerpos o enzimas para detectar proteínas, el de Gao se basa en aptámeros: fragmentos cortos de ADN o ARN monocatenario que están diseñados para plegarse de manera que se unan a objetivos que van desde pequeñas moléculas hasta toxinas. Aunque a veces se los denomina anticuerpos químicos, los aptámeros son mucho más pequeños que la mayoría de los anticuerpos y pueden sintetizarse químicamente, en lugar de hacerlo en animales de laboratorio. Los investigadores han diseñado previamente aptámeros para reconocer el cortisol (2) , la serotonina (3), la cafeína (4) e incluso algunos tipos de cáncer (5).
Para fabricar el sensor de estradiol, los investigadores diseñaron dos capas de material para que funcionen en conjunto: una interfaz sembrada con aptámeros que reconocen el estradiol y un electrodo de nanopartículas de oro cubierto con un material llamado MXene, que mejora aún más las señales eléctricas débiles. Los aptámeros están precargados con ADN monocatenario marcado con azul de metileno, un tinte que en este caso sirve como sonda electroquímica.
Cuando se coloca en un dedo, el biosensor genera una pequeña corriente que impulsa la producción de sudor y luego aspira el líquido a un pequeño depósito. A medida que el sudor llena la cámara, los aptámeros intercambian las cadenas de ADN marcadas con azul de metileno por estradiol. Luego, esas hebras de ADN quedan libres para viajar entre las capas y unirse a hebras complementarias en el electrodo, donde los niveles de azul de metileno se traducen en una medición final. En experimentos con sudor artificial, el sensor pudo detectar estradiol en sólo 10 minutos, en concentraciones tan bajas como 140 nanomolar, cerca del límite inferior de lo que normalmente se encuentra en el sudor humano.
El anillo también incorpora sensores que rastrean la temperatura de la piel, el pH y la concentración de sal del sudor para poder calibrar las mediciones hormonales en tiempo real y mostrarlas en un teléfono móvil.
Estructura de un riboswitch de ARN que altera la expresión de un gen cuando se une a una molécula pequeña (rojo). Crédito: Carlos Clarivan/Biblioteca de fotografías científicas
Fuerte correlación
Gao y sus colegas probaron el rendimiento del sensor en sudor sintético antes de dárselo a cinco mujeres para que realizaran un seguimiento de sus ciclos menstruales. A dos de las mujeres se les realizaron análisis de sangre al mismo tiempo para compararlos con los resultados del sudor. Los investigadores encontraron que los dos tipos de muestras subieron y bajaron al mismo tiempo, y ambos coincidieron con el patrón esperado: el estradiol generalmente aumenta al comienzo de un ciclo y alcanza su punto máximo justo antes de la ovulación. Se produce un pico secundario más pequeño después de que se ha liberado un óvulo.
“La correlación que encontraron entre el suero sanguíneo y el sudor es realmente prometedora”, afirma Bhaskaran. Añade, sin embargo, que el tamaño de la muestra era pequeño, por lo que asegurarse de que la tecnología “se mantenga en diferentes condiciones del cuerpo humano es realmente esencial”.
Aunque el equipo desarrolló el anillo para rastrear los ciclos menstruales, el estradiol también participa en la modulación de la libido, la función eréctil y la espermatogénesis, y Gao dice que el sensor también podría ser útil para personas que reciben terapia hormonal.
Posiblemente se podrían diseñar aptámeros para apuntar a casi cualquier cosa, y Gao apunta a desarrollar sensores capaces de rastrear continuamente varias hormonas a la vez, incluida la hormona folículo estimulante, la hormona luteinizante, la hormona liberadora de gonadotropina y la progesterona. Ahora está trabajando para comercializar un conjunto de biosensores basados en el sudor.
Pero aunque el diseño de aptámeros ha avanzado, todavía no ha logrado el mismo dominio que la naturaleza, dice Kevin Plaxco, bioingeniero de la Universidad de California en Santa Bárbara. El ADN y el ARN están cargados negativamente, por lo que los investigadores luchan por unirlos a objetivos que también tienen fuertes cambios negativos, como los iones fluoruro. Sin embargo, se han identificado aptámeros de unión a fluoruro en bacterias y arqueas, como parte de estructuras de control genético llamadas riboswitches.
El fluoruro "tiene que ser el elemento más difícil de combatir, pero hay un riboswitch que se une al fluoruro con excelente especificidad y afinidad", dice Plaxco. "El hecho de que exista me dice que cuando seamos lo suficientemente sofisticados, será posible crear aptámeros increíbles".
doi: https://doi.org/10.1038/d41586-023-03812-x
Referencias
1. Ye, C. et al. Nature Nanotechnol. https://doi.org/10.1038/s41565-023-01513-0 (2023). Article
2. Wang, B. et al. Sci. Adv. 8, eabk0967 (2022).Article
3. Ip, I.-F., Wang, Y.-S. & Chang, C.-C. Nanotechnol. Rev. 12, 20220514 (2023).Article
4. Huang, P.-J. J. & Liu, J. Anal. Chem. 94, 3142–3149 (2022).Article
5. Ruiz Ciancio, D. et al. Pharmaceuticals 11, 86 (2018).Article
