Biosensor

Un inmunosensor utiliza la afinidad de unión altamente específica de los anticuerpos por un compuesto o antígeno específico . La naturaleza específica de la interacción anticuerpo-antígeno es análoga al ajuste de llave y cerradura, ya que el antígeno solo se unirá al anticuerpo si tiene la conformación correcta. Los eventos de unión dan como resultado un cambio fisicoquímico que, en combinación con un trazador, como moléculas fluorescentes, enzimas o radioisótopos, puede generar una señal. Existen limitaciones en el uso de anticuerpos en sensores: 1. La capacidad de unión del anticuerpo depende en gran medida de las condiciones del ensayo (por ejemplo, pH y temperatura), y 2. la interacción anticuerpo-antígeno es generalmente robusta, sin embargo, la unión puede verse interrumpida por reactivos caotrópicos , disolventes orgánicos o incluso radiación ultrasónica. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

Las interacciones antígeno-anticuerpo también pueden utilizarse para pruebas serológicas , es decir, para la detección de anticuerpos circulantes en respuesta a una enfermedad específica. Es importante destacar que las pruebas serológicas se han convertido en una parte fundamental de la respuesta global a la pandemia de COVID-19 . ^{[ 17 ]}

El uso de anticuerpos como componente de biorreconocimiento de biosensores tiene varios inconvenientes. Tienen pesos moleculares altos y estabilidad limitada, contienen enlaces disulfuro esenciales y son costosos de producir. En un enfoque para superar estas limitaciones, se han diseñado fragmentos de unión recombinantes ( Fab , Fv o scFv ) o dominios (VH, VHH ) de anticuerpos. ^{[ 18 ]} En otro enfoque, se han diseñado pequeños andamios proteicos con propiedades biofísicas favorables para generar familias artificiales de proteínas de unión a antígenos (AgBP), capaces de unirse específicamente a diferentes proteínas diana mientras conservan las propiedades favorables de la molécula parental. Los elementos de la familia que se unen específicamente a un antígeno diana dado, a menudo se seleccionan in vitro mediante técnicas de visualización: visualización de fagos , visualización de ribosomas , visualización de levaduras o visualización de ARNm . Las proteínas de unión artificiales son mucho más pequeñas que los anticuerpos (generalmente menos de 100 residuos de aminoácidos), poseen una gran estabilidad, carecen de enlaces disulfuro y pueden expresarse con alto rendimiento en entornos celulares reductores como el citoplasma bacteriano, a diferencia de los anticuerpos y sus derivados. ^{[ 19 ] [ 20 ]} Por lo tanto, son especialmente adecuadas para la creación de biosensores. ^{[ 21 ] [ 22 ]}

Las capacidades de unión específicas y la actividad catalítica de las enzimas las convierten en biorreceptores populares. El reconocimiento del analito se posibilita a través de varios mecanismos posibles: 1) la enzima convierte el analito en un producto detectable por el sensor, 2) se detecta la inhibición o activación de la enzima por el analito, o 3) se monitoriza la modificación de las propiedades de la enzima resultante de la interacción con el analito. ^{[ 16 ]} Las principales razones para el uso común de enzimas en biosensores son: 1) capacidad para catalizar un gran número de reacciones; 2) potencial para detectar un grupo de analitos (sustratos, productos, inhibidores y moduladores de la actividad catalítica); y 3) idoneidad con varios métodos de transducción diferentes para la detección del analito. Cabe destacar que, dado que las enzimas no se consumen en las reacciones, el biosensor puede utilizarse fácilmente de forma continua. La actividad catalítica de las enzimas también permite límites de detección más bajos en comparación con las técnicas de unión comunes. Sin embargo, la vida útil del sensor está limitada por la estabilidad de la enzima.

Los anticuerpos tienen una constante de unión alta , superior a 10^8 L/mol, lo que representa una asociación casi irreversible una vez que se ha formado el par antígeno-anticuerpo. Para ciertas moléculas de analito, como la glucosa, existen proteínas de unión por afinidad que se unen a su ligando con una alta especificidad , similar a la de un anticuerpo, pero con una constante de unión mucho menor, del orden de 10^2 a 10^4 L/mol. La asociación entre el analito y el receptor es entonces reversible , y además del par entre ambos, también existen sus moléculas libres en una concentración medible. En el caso de la glucosa, por ejemplo, la concanavalina A puede funcionar como receptor de afinidad, exhibiendo una constante de unión de 4x10^2 L/mol. ^{[ 23 ]} El uso de receptores de unión por afinidad para fines de biodetección fue propuesto por Schultz y Sims en 1979 ^{[ 24 ]} y posteriormente se configuró en un ensayo fluorescente para medir la glucosa en el rango fisiológico relevante , entre 4,4 y 6,1  mmol/L. ^{[ 25 ]} El principio del sensor tiene la ventaja de que no consume el analito en una reacción química como ocurre en los ensayos enzimáticos. Los biosensores de afinidad se han utilizado para caracterizar la cinética y la termodinámica de la unión anticuerpo-lipoproteína. ^{[ 26 ] [ 27 ]}

Los biosensores que emplean receptores basados ​​en ácidos nucleicos pueden basarse en interacciones de apareamiento de bases complementarias, denominados genosensores, o en mímicos de anticuerpos específicos basados ​​en ácidos nucleicos (aptámeros), denominados aptasensores. ^{[ 28 ]} En los primeros, el proceso de reconocimiento se basa en el principio del apareamiento de bases complementarias , adenina:timina y citosina:guanina en el ADN . Si se conoce la secuencia de ácido nucleico diana, se pueden sintetizar secuencias complementarias, marcarlas e inmovilizarlas en el sensor. El evento de hibridación se puede detectar ópticamente y se puede determinar la presencia de ADN/ARN diana. En los segundos, los aptámeros generados contra la diana la reconocen mediante la interacción de interacciones no covalentes específicas y el ajuste inducido. Estos aptámeros se pueden marcar fácilmente con un fluoróforo/nanopartículas metálicas para la detección óptica o se pueden emplear en plataformas de detección electroquímicas o basadas en voladizos sin marcaje para una amplia gama de moléculas diana o dianas complejas como células y virus. ^{[ 29 ] [ 30 ]} Además, los aptámeros pueden combinarse con enzimas de ácidos nucleicos, como las ADNzimas que escinden el ARN, proporcionando tanto el reconocimiento del objetivo como la generación de señales en una sola molécula, lo que muestra aplicaciones potenciales en el desarrollo de biosensores multiplex. ^{[ 31 ]}

Se ha propuesto que los resonadores ópticos integrados debidamente optimizados pueden utilizarse para detectar modificaciones epigenéticas (por ejemplo, metilación del ADN, modificaciones postraduccionales de histonas) en fluidos corporales de pacientes afectados por cáncer u otras enfermedades. ^{[ 32 ]} Actualmente se están desarrollando biosensores fotónicos de ultrasensibilidad a nivel de investigación para detectar fácilmente células cancerosas en la orina del paciente. ^{[ 33 ]} Diferentes proyectos de investigación tienen como objetivo desarrollar nuevos dispositivos portátiles que utilicen cartuchos desechables, económicos y respetuosos con el medio ambiente, que solo requieren un manejo sencillo sin necesidad de procesamiento, lavado o manipulación adicionales por parte de técnicos expertos. ^{[ 34 ]}

Los orgánulos forman compartimentos separados dentro de las células y generalmente realizan funciones de forma independiente. Los diferentes tipos de orgánulos tienen diversas vías metabólicas y contienen enzimas para cumplir su función. Los orgánulos más comunes incluyen lisosomas, cloroplastos y mitocondrias. El patrón de distribución espacio-temporal del calcio está estrechamente relacionado con la vía de señalización ubicua. Las mitocondrias participan activamente en el metabolismo de los iones de calcio para controlar la función y también modulan las vías de señalización relacionadas con el calcio. Los experimentos han demostrado que las mitocondrias tienen la capacidad de responder a altas concentraciones de calcio generadas en su proximidad mediante la apertura de los canales de calcio. ^{[ 35 ]} De esta manera, las mitocondrias pueden utilizarse para detectar la concentración de calcio en el medio y la detección es muy sensible debido a la alta resolución espacial. Otra aplicación de las mitocondrias es la detección de la contaminación del agua. La toxicidad de los compuestos detergentes daña la célula y la estructura subcelular, incluidas las mitocondrias. Los detergentes provocan un efecto de hinchazón que puede medirse mediante un cambio en la absorbancia. Los datos experimentales muestran que la tasa de cambio es proporcional a la concentración de detergente, lo que proporciona un alto estándar para la precisión de la detección. ^{[ 36 ]}

Las células se utilizan a menudo en biorreceptores porque son sensibles al entorno circundante y pueden responder a todo tipo de estímulos. Las células tienden a adherirse a la superficie, por lo que pueden inmovilizarse fácilmente. En comparación con los orgánulos, permanecen activas durante un período más prolongado y la reproducibilidad las hace reutilizables. Se utilizan comúnmente para detectar parámetros globales como el estado de estrés, la toxicidad y los derivados orgánicos. También pueden utilizarse para monitorizar el efecto del tratamiento de fármacos. Una aplicación es el uso de células para determinar herbicidas, que son los principales contaminantes acuáticos. ^{[ 37 ]} Las microalgas se atrapan en una microfibra de cuarzo y la fluorescencia de la clorofila modificada por los herbicidas se recoge en la punta de un haz de fibra óptica y se transmite a un fluorímetro. Las algas se cultivan continuamente para obtener una medición optimizada. Los resultados muestran que el límite de detección de ciertos herbicidas puede alcanzar un nivel de concentración sub-ppb. Algunas células también pueden utilizarse para monitorizar la corrosión microbiana. ^{[ 38 ]} Pseudomonas sp. se aísla de la superficie de un material corroído y se inmoviliza en una membrana de acetilcelulosa. La actividad respiratoria se determina midiendo el consumo de oxígeno. Existe una relación lineal entre la corriente generada y la concentración de ácido sulfúrico . El tiempo de respuesta está relacionado con la carga de las células y el entorno circundante, y puede controlarse para que no supere los 5 minutos.

Los tejidos se utilizan como biosensores para determinar la abundancia de enzimas presentes. Las ventajas de los tejidos como biosensores incluyen las siguientes: ^{[ 39 ]}

• más fácil de inmovilizar en comparación con las células y los orgánulos
• La mayor actividad y estabilidad se logra al mantener las enzimas en el entorno natural.
• la disponibilidad y el bajo precio
• evitar el tedioso trabajo de extracción, centrifugación y purificación de enzimas.
• Existen cofactores necesarios para que una enzima funcione.
• La diversidad ofrece una amplia gama de opciones en relación con diferentes objetivos.

También existen algunas desventajas en los tejidos, como la falta de especificidad debido a la interferencia de otras enzimas y un tiempo de respuesta más prolongado debido a la barrera de transporte.

Los biosensores microbianos aprovechan la respuesta de las bacterias a una sustancia determinada. Por ejemplo, el arsénico puede detectarse utilizando el operón ars presente en varios taxones bacterianos. ^{[ 40 ]}

Los biosensores electroquímicos se dividen generalmente en técnicas activas (que fuerzan un cambio de corriente o voltaje en el sistema para medir una respuesta dinámica) y técnicas pasivas (que miden un sistema en equilibrio o en condiciones de reposo). ^{[ 47 ]}

Se ha demostrado que el uso de canales iónicos ofrece una detección altamente sensible de moléculas biológicas objetivo. ^{[ 48 ]} Al incorporar los canales iónicos en membranas bicapa soportadas o ancladas (t-BLM) unidas a un electrodo de oro, se crea un circuito eléctrico. Las moléculas de captura, como los anticuerpos, pueden unirse al canal iónico de manera que la unión de la molécula objetivo controle el flujo de iones a través del canal. Esto produce un cambio medible en la conductividad eléctrica, que es proporcional a la concentración del objetivo.

Se puede crear un biosensor de interruptor de canal iónico (ICS) utilizando gramicidina, un canal peptídico dimérico, en una membrana bicapa anclada. ^{[ 49 ]} Un péptido de gramicidina, con un anticuerpo unido, es móvil y el otro es fijo. La ruptura del dímero detiene la corriente iónica a través de la membrana. La magnitud del cambio en la señal eléctrica aumenta considerablemente al separar la membrana de la superficie metálica mediante un espaciador hidrofílico.

Se ha demostrado la detección cuantitativa de una amplia gama de especies objetivo, incluyendo proteínas, bacterias, fármacos y toxinas, utilizando diferentes configuraciones de membrana y captura. ^{[ 50 ] [ 51 ]} El proyecto de investigación europeo Greensense desarrolla un biosensor para realizar un análisis cuantitativo de drogas de abuso como THC, morfina y cocaína ^{[ 52 ]} en saliva y orina.

Un biosensor sin reactivos puede monitorizar un analito objetivo en una mezcla biológica compleja sin necesidad de reactivos adicionales. Por lo tanto, puede funcionar de forma continua si se inmoviliza en un soporte sólido. Un biosensor fluorescente reacciona a la interacción con su analito objetivo mediante un cambio en sus propiedades de fluorescencia. Un biosensor fluorescente sin reactivos (biosensor RF) se obtiene integrando en una sola macromolécula un receptor biológico, dirigido contra el analito objetivo, y un fluoróforo solvatocrómico , cuyas propiedades de emisión son sensibles a la naturaleza de su entorno local. El fluoróforo transduce el evento de reconocimiento en una señal óptica medible. El uso de fluoróforos extrínsecos, cuyas propiedades de emisión difieren ampliamente de las de los fluoróforos intrínsecos de las proteínas, el triptófano y la tirosina, permite detectar y cuantificar inmediatamente el analito en mezclas biológicas complejas. La integración del fluoróforo debe realizarse en un sitio donde sea sensible a la unión del analito sin perturbar la afinidad del receptor.

Los anticuerpos y las familias artificiales de proteínas de unión a antígenos (AgBP) son idóneos para proporcionar el módulo de reconocimiento de los biosensores de RF, ya que pueden dirigirse contra cualquier antígeno (véase el párrafo sobre biorreceptores). Se ha descrito un método general para integrar un fluoróforo solvatocrómico en una AgBP cuando se conoce la estructura atómica del complejo con su antígeno, transformándolo así en un biosensor de RF. ^{[ 21 ]} Se identifica un residuo de la AgBP cerca del antígeno en su complejo. Este residuo se sustituye por una cisteína mediante mutagénesis dirigida. El fluoróforo se acopla químicamente a la cisteína mutante. Si el diseño es exitoso, el fluoróforo acoplado no impide la unión del antígeno, esta unión protege al fluoróforo del disolvente y puede detectarse mediante un cambio en la fluorescencia. Esta estrategia también es válida para fragmentos de anticuerpos. ^{[ 53 ] [ 54 ]}

Sin embargo, ante la ausencia de datos estructurales específicos, deben aplicarse otras estrategias. Los anticuerpos y las familias artificiales de AgBP se constituyen mediante un conjunto de posiciones de residuos hipervariables (o aleatorias), ubicadas en una subregión única de la proteína y soportadas por un andamiaje polipeptídico constante. Los residuos que forman el sitio de unión para un antígeno determinado se seleccionan entre los residuos hipervariables. Es posible transformar cualquier AgBP de estas familias en un biosensor de RF, específico para el antígeno diana, simplemente acoplando un fluoróforo solvatocrómico a uno de los residuos hipervariables que tienen poca o ninguna importancia para la interacción con el antígeno, tras sustituir dicho residuo por cisteína mediante mutagénesis. Más concretamente, la estrategia consiste en sustituir individualmente los residuos de las posiciones hipervariables por cisteína a nivel genético, acoplar químicamente un fluoróforo solvatocrómico a la cisteína mutante y, posteriormente, conservar los conjugados resultantes que presenten la mayor sensibilidad (un parámetro que incluye tanto la afinidad como la variación de la señal de fluorescencia). ^{[ 22 ]} Este enfoque también es válido para familias de fragmentos de anticuerpos. ^{[ 55 ]}

Estudios posteriores han demostrado que los mejores biosensores fluorescentes sin reactivos se obtienen cuando el fluoróforo no realiza interacciones no covalentes con la superficie del biorreceptor, lo que aumentaría la señal de fondo, y cuando interactúa con un sitio de unión en la superficie del antígeno diana. ^{[ 56 ]} Los biosensores de RF obtenidos mediante los métodos anteriores pueden funcionar y detectar analitos diana dentro de células vivas. ^{[ 57 ]}

Los biosensores magnéticos utilizan partículas o cristales paramagnéticos o supraparamagnéticos para detectar interacciones biológicas. Algunos ejemplos son la inductancia de bobina, la resistencia u otras propiedades magnéticas. Es común el uso de nanopartículas o micropartículas magnéticas. En la superficie de estas partículas se encuentran los biorreceptores, que pueden ser ADN (complementario a una secuencia o aptámeros), anticuerpos u otros. La unión del biorreceptor afectará algunas de las propiedades magnéticas de la partícula, las cuales pueden medirse mediante susceptometría de CA, ^{[ 58 ]} un sensor de efecto Hall, ^{[ 59 ]} un dispositivo de magnetorresistencia gigante, ^{[ 60 ]} u otros.

Los sensores piezoeléctricos utilizan cristales que experimentan una deformación elástica al aplicarles un potencial eléctrico. Un potencial alterno (CA) produce una onda estacionaria en el cristal a una frecuencia característica. Esta frecuencia depende en gran medida de las propiedades elásticas del cristal, de modo que si un cristal está recubierto con un elemento de reconocimiento biológico, la unión de un analito objetivo (de gran tamaño) a un receptor producirá un cambio en la frecuencia de resonancia, lo que genera una señal de unión. En un modo que utiliza ondas acústicas superficiales (SAW), la sensibilidad aumenta considerablemente. Esta es una aplicación especializada de la microbalanza de cristal de cuarzo como biosensor.

La electroquimioluminiscencia (ECL) es hoy en día una técnica líder en biosensores. ^{[ 61 ] [ 62 ] [ 63 ]} Dado que las especies excitadas se producen con un estímulo electroquímico en lugar de con una fuente de excitación de luz, la ECL muestra una relación señal-ruido mejorada en comparación con la fotoluminiscencia, con efectos minimizados debido a la dispersión de la luz y el fondo de luminiscencia. En particular, la ECL de correagente que opera en solución acuosa tamponada en la región de potenciales positivos (mecanismo de oxidación-reducción) mejoró definitivamente la ECL para inmunoensayos, como lo confirman muchas aplicaciones de investigación y, aún más, por la presencia de importantes empresas que han desarrollado hardware comercial para el análisis de inmunoensayos de alto rendimiento en un mercado que vale miles de millones de dólares cada año.

Los biosensores termométricos son poco comunes.

Los monitores de glucosa disponibles comercialmente se basan en la detección amperométrica de glucosa mediante la glucosa oxidasa , que oxida la glucosa produciendo peróxido de hidrógeno, el cual es detectado por el electrodo. Para superar la limitación de los sensores amperométricos, se está llevando a cabo una intensa investigación sobre nuevos métodos de detección, como los biosensores de glucosa fluorescentes . ^{[ 91 ]}

El sensor de imagen de reflectancia interferométrica (IRIS) se basa en los principios de interferencia óptica y consta de un sustrato de silicio-óxido de silicio, óptica estándar y LED coherentes de baja potencia. Cuando la luz se ilumina a través de un objetivo de baja magnificación sobre el sustrato de silicio-óxido de silicio en capas, se produce una señal interferométrica. A medida que la biomasa, que tiene un índice de refracción similar al del óxido de silicio, se acumula en la superficie del sustrato, se produce un cambio en la señal interferométrica que puede correlacionarse con una masa cuantificable. Daaboul et al. utilizaron IRIS para obtener una sensibilidad sin marcadores de aproximadamente 19  ng/mL. ^{[ 92 ]} Ahn et al. mejoraron la sensibilidad de IRIS mediante una técnica de marcaje de masas. ^{[ 93 ]}

Desde su publicación inicial, IRIS se ha adaptado para realizar diversas funciones. Primero, IRIS integró una capacidad de imagen de fluorescencia en el instrumento de imagen interferométrica como una forma potencial de abordar la variabilidad de los microarrays de proteínas fluorescentes. ^{[ 94 ]} Brevemente, la variación en los microarrays de fluorescencia se deriva principalmente de la inmovilización inconsistente de proteínas en superficies y puede causar diagnósticos erróneos en microarrays de alergias. ^{[ 95 ]} Para corregir cualquier variación en la inmovilización de proteínas, los datos adquiridos en la modalidad de fluorescencia se normalizan luego con los datos adquiridos en la modalidad sin marcaje. ^{[ 95 ]} IRIS también se ha adaptado para realizar el conteo de nanopartículas individuales simplemente cambiando el objetivo de baja magnificación utilizado para la cuantificación de biomasa sin marcaje a una magnificación de objetivo mayor. ^{[ 96 ] [ 97 ]} Esta modalidad permite la discriminación de tamaño en muestras biológicas humanas complejas. Monroe et al. utilizaron IRIS para cuantificar los niveles de proteínas agregadas a sangre entera y suero humanos y determinaron la sensibilización a alérgenos en muestras de sangre humana caracterizadas utilizando procesamiento de muestra cero. ^{[ 98 ]} Otros usos prácticos de este dispositivo incluyen la detección de virus y patógenos. ^{[ 99 ]}

Existen diversas aplicaciones de biosensores en el análisis de alimentos. ^{[ 100 ] [ 101 ] [ 102 ] [ 103 ]} En la industria alimentaria, se utilizan comúnmente lentes recubiertas con anticuerpos para detectar patógenos y toxinas en los alimentos. Generalmente, el sistema de luz en estos biosensores es de fluorescencia, ya que este tipo de medición óptica puede amplificar considerablemente la señal.

Se han desarrollado diversos ensayos inmunológicamente y de unión a ligandos para la detección y cuantificación de moléculas pequeñas, como vitaminas hidrosolubles y contaminantes químicos ( residuos de fármacos ), como sulfonamidas y beta-agonistas, para su uso en sistemas de sensores basados ​​en SPR . Estos ensayos suelen ser adaptados de ELISA u otros ensayos inmunológicos existentes . Su uso está muy extendido en la industria alimentaria.

Los biosensores podrían utilizarse para monitorizar contaminantes del aire , el agua y el suelo, como pesticidas, sustancias potencialmente cancerígenas, mutagénicas y/o tóxicas, y disruptores endocrinos. ^{[ 104 ] [ 105 ]}

Por ejemplo, los bionanotecnólogos desarrollaron un biosensor viable, ROSALIND 2.0 , que puede detectar niveles de diversos contaminantes del agua . ^{[ 106 ] [ 107 ]}

Debido a que el ozono filtra la radiación ultravioleta dañina, el descubrimiento de agujeros en la capa de ozono de la atmósfera terrestre ha generado preocupación sobre la cantidad de luz ultravioleta que llega a la superficie de la Tierra. Resultan particularmente preocupantes las preguntas sobre hasta qué profundidad penetra la radiación ultravioleta en el agua de mar y cómo afecta a los organismos marinos , especialmente al plancton (microorganismos flotantes) y a los virus que lo atacan. El plancton constituye la base de las cadenas alimentarias marinas y se cree que influye en la temperatura y el clima de nuestro planeta al absorber CO₂ _para la fotosíntesis.

Deneb Karentz, investigadora del Laboratorio de Radiobiología y Salud Ambiental ( Universidad de California, San Francisco ), ha ideado un método sencillo para medir la penetración e intensidad de la radiación ultravioleta. Trabajando en el océano Antártico, sumergió a diversas profundidades bolsas de plástico delgadas que contenían cepas especiales de E. coli prácticamente incapaces de reparar el daño causado por la radiación ultravioleta en su ADN. Se compararon las tasas de mortalidad bacteriana en estas bolsas con las de bolsas de control no expuestas del mismo organismo. Los "biosensores" bacterianos revelaron un daño ultravioleta significativo y constante a profundidades de 10 m y, frecuentemente, a 20 y 30 m. Karentz planea realizar estudios adicionales sobre cómo la radiación ultravioleta puede afectar las floraciones estacionales de plancton (picos de crecimiento) en los océanos. ^{[ 108 ]}

La metástasis es la propagación del cáncer de una parte del cuerpo a otra a través del sistema circulatorio o linfático. ^{[ 109 ]} A diferencia de las pruebas de imagen radiológica (mamografías), que envían formas de energía (rayos X, campos magnéticos, etc.) a través del cuerpo para obtener únicamente imágenes internas, los biosensores tienen el potencial de evaluar directamente el poder maligno del tumor. La combinación de un elemento biológico y un detector permite requerir una pequeña muestra, un diseño compacto, señales rápidas, detección rápida, alta selectividad y alta sensibilidad para el analito estudiado. En comparación con las pruebas de imagen radiológica habituales, los biosensores tienen la ventaja no solo de determinar hasta dónde se ha propagado el cáncer y comprobar si el tratamiento es eficaz, sino que también son métodos más económicos y eficientes (en tiempo, coste y productividad) para evaluar la metástasis en las primeras etapas del cáncer.

Investigadores de ingeniería biológica han creado biosensores oncológicos para el cáncer de mama. ^{[ 110 ]} El cáncer de mama es el cáncer más común entre las mujeres en todo el mundo. ^{[ 111 ]} Un ejemplo sería una microbalanza de cristal de cuarzo (QCM) de transferrina. Como biosensor, las microbalanzas de cristal de cuarzo producen oscilaciones en la frecuencia de la onda estacionaria del cristal a partir de un potencial alterno para detectar cambios de masa de nanogramos. Estos biosensores están diseñados específicamente para interactuar y tener una alta selectividad por los receptores en las superficies celulares (cancerosas y normales). Idealmente, esto proporciona una detección cuantitativa de células con este receptor por área de superficie en lugar de la detección cualitativa de imágenes que proporcionan las mamografías.

Seda Atay, investigadora en biotecnología de la Universidad de Hacettepe, observó experimentalmente esta especificidad y selectividad entre un QCM y células mamarias MDA-MB 231 , células MCF 7 y células MDA-MB 231 privadas de nutrientes in vitro. ^{[ 110 ]} Junto con otros investigadores, ideó un método para lavar estas células con diferentes niveles metastásicos sobre los sensores para medir los cambios de masa debidos a diferentes cantidades de receptores de transferrina. En particular, el poder metastásico de las células de cáncer de mama se puede determinar mediante microbalanzas de cristal de cuarzo con nanopartículas y transferrina que potencialmente se unirían a los receptores de transferrina en la superficie de las células cancerosas. Existe una selectividad muy alta para los receptores de transferrina porque se sobreexpresan en las células cancerosas. Si las células tienen una alta expresión de receptores de transferrina, lo que muestra su alto poder metastásico, tienen mayor afinidad y se unen más al QCM que mide el aumento de masa. Dependiendo de la magnitud del cambio de masa en nanogramos, se puede determinar el poder metastásico.

Además, en los últimos años se ha prestado especial atención a la detección de biomarcadores de cáncer de pulmón sin biopsia. En este sentido, los biosensores son herramientas muy atractivas y aplicables para proporcionar detecciones rápidas, sensibles, específicas, estables, rentables y no invasivas para el diagnóstico precoz del cáncer de pulmón. Así, los biosensores de cáncer constan de moléculas de biorreconocimiento específicas, como anticuerpos, sondas de ácidos nucleicos complementarios u otras biomoléculas inmovilizadas en la superficie de un transductor. Las moléculas de biorreconocimiento interactúan específicamente con los biomarcadores (objetivos) y las respuestas biológicas generadas son convertidas por el transductor en una señal analítica medible. Dependiendo del tipo de respuesta biológica, se utilizan diversos transductores en la fabricación de biosensores de cáncer, como transductores electroquímicos, ópticos y basados ​​en masa. ^{[ 112 ]}

Los biosensores podrían utilizarse para la detección de organismos patógenos. ^{[ 105 ]}

Se han desarrollado biosensores integrados para detectar firmas patógenas, como las del SARS-CoV-2 , que son portátiles , como las mascarillas con pruebas incorporadas . ^{[ 113 ] [ 114 ]} Véase también: I+D del transporte público para la COVID-19

Los nuevos tipos de chips biosensores podrían permitir métodos novedosos, como sensores de patógenos desplegados por drones que monitorean activamente el aire o las aguas residuales. Los aptámeros de unión a proteínas podrían usarse para detectar patógenos de enfermedades infecciosas. ^{[ 115 ]} Los sistemas de piel electrónica (o piel robótica) con biosensores (o sensores químicos) incorporados e interfaces hombre-máquina podrían permitir la detección de patógenos (así como de diversos materiales peligrosos y percepciones táctiles ) mediante dispositivos portátiles o robóticos, así como la detección remota de estos. ^{[ 116 ]}

Muchos biosensores ópticos se basan en el fenómeno de las técnicas de resonancia de plasmones superficiales (SPR). ^{[ 117 ] [ 118 ]} Esto utiliza una propiedad del oro y otros materiales (metales); ^{[ 119 ]} específicamente que una capa delgada de oro sobre una superficie de vidrio de alto índice de refracción puede absorber luz láser, produciendo ondas electrónicas (plasmones superficiales) en la superficie del oro. Esto ocurre solo en un ángulo y longitud de onda específicos de la luz incidente y depende en gran medida de la superficie del oro, de modo que la unión de un analito objetivo a un receptor en la superficie del oro produce una señal medible.

Los sensores de resonancia de plasmones superficiales funcionan mediante un chip sensor compuesto por una carcasa de plástico que soporta una placa de vidrio, una de cuyas caras está recubierta con una capa microscópica de oro. Esta cara entra en contacto con el detector óptico del instrumento. La cara opuesta entra en contacto con un sistema de flujo microfluídico. El contacto con el sistema de flujo crea canales por los que se pueden hacer pasar reactivos en solución. Esta cara del chip sensor de vidrio se puede modificar de diversas maneras para facilitar la unión de las moléculas de interés. Normalmente, se recubre con carboximetil dextrano o un compuesto similar.

El índice de refracción en la superficie del chip, en contacto con el flujo, influye directamente en el comportamiento de la luz reflejada en la superficie de oro. La unión a esta superficie afecta al índice de refracción , lo que permite medir interacciones biológicas con alta sensibilidad mediante algún tipo de energía. El índice de refracción del medio cercano a la superficie cambia cuando las biomoléculas se adhieren a ella, y el ángulo de resonancia de plasmones superficiales (SPR) varía en función de este cambio.

La luz de longitud de onda fija se refleja en la superficie dorada del chip con el ángulo de reflexión interna total y se detecta dentro del instrumento. El ángulo de incidencia de la luz se varía para igualar la velocidad de propagación de la onda evanescente con la de los polaritones de plasmón superficial. ^{[ 120 ]} Esto provoca que la onda evanescente penetre a través de la placa de vidrio y a cierta distancia en el líquido que fluye sobre la superficie.

Otros biosensores ópticos se basan principalmente en cambios en la absorbancia o fluorescencia de un compuesto indicador apropiado y no requieren una geometría de reflexión interna total. Por ejemplo, se ha fabricado un prototipo completamente funcional para detectar caseína en la leche. El dispositivo se basa en la detección de cambios en la absorción de una capa de oro. ^{[ 121 ]} Una herramienta de investigación ampliamente utilizada, el microarreglo, también puede considerarse un biosensor.

Los biosensores biológicos, también conocidos como sensores optogenéticos , suelen incorporar una forma genéticamente modificada de una proteína o enzima nativa. La proteína se configura para detectar un analito específico y la señal resultante se lee mediante un instrumento de detección, como un fluorómetro o un luminómetro. Un ejemplo de biosensor desarrollado recientemente es uno para detectar la concentración citosólica del analito AMPc (monofosfato de adenosina cíclico), un segundo mensajero implicado en la señalización celular desencadenada por ligandos que interactúan con receptores en la membrana celular. ^{[ 122 ]} Se han creado sistemas similares para estudiar las respuestas celulares a ligandos nativos o xenobióticos (toxinas o inhibidores de moléculas pequeñas). Estos "ensayos" se utilizan comúnmente en el desarrollo de descubrimiento de fármacos por parte de empresas farmacéuticas y biotecnológicas. La mayoría de los ensayos de AMPc que se utilizan actualmente requieren la lisis de las células antes de la medición del AMPc. Un biosensor de células vivas para AMPc puede utilizarse en células no lisadas, con la ventaja adicional de realizar múltiples lecturas para estudiar la cinética de la respuesta del receptor.

Los nanobiosensores utilizan una sonda biorreceptora inmovilizada que es selectiva para las moléculas del analito objetivo. Los nanomateriales son sensores químicos y biológicos de gran sensibilidad. Los materiales a nanoescala demuestran propiedades únicas. Su gran relación superficie-volumen permite lograr reacciones rápidas y de bajo costo, utilizando una variedad de diseños. ^{[ 123 ]}

Se han comercializado otros biosensores de onda evanescente utilizando guías de onda donde la constante de propagación a través de la guía de onda cambia por la absorción de moléculas en la superficie de la guía de onda. Un ejemplo de ello es la interferometría de doble polarización , que utiliza una guía de onda enterrada como referencia para medir el cambio en la constante de propagación. Otras configuraciones, como la de Mach-Zehnder, tienen brazos de referencia definidos litográficamente sobre un sustrato. Se pueden lograr mayores niveles de integración utilizando geometrías de resonador donde la frecuencia de resonancia de un resonador de anillo cambia cuando se absorben moléculas. ^{[ 124 ] [ 125 ]}

Recientemente, se han aplicado conjuntos de diversas moléculas detectoras en los llamados dispositivos de nariz electrónica , donde el patrón de respuesta de los detectores se utiliza para identificar una sustancia. ^{[ 126 ]} En el detector de olores Wasp Hound , el elemento mecánico es una cámara de video y el elemento biológico son cinco avispas parásitas que han sido condicionadas para formar enjambres en respuesta a la presencia de una sustancia química específica. ^{[ 127 ]} Sin embargo, las narices electrónicas comerciales actuales no utilizan elementos biológicos.

El ADN puede ser el analito de un biosensor, detectándose mediante métodos específicos, pero también puede utilizarse como parte de un biosensor o, teóricamente, incluso como un biosensor completo.

Existen numerosas técnicas para detectar ADN, que generalmente se utilizan para identificar organismos que poseen ese ADN en particular. Las secuencias de ADN también pueden emplearse como se describió anteriormente. Sin embargo, existen enfoques más innovadores, donde el ADN puede sintetizarse para contener enzimas en un gel biológico estable. ^{[ 128 ]} Otras aplicaciones incluyen el diseño de aptámeros, secuencias de ADN con una forma específica para unirse a una molécula deseada. Los procesos más innovadores emplean el origami de ADN para este fin, creando secuencias que se pliegan en una estructura predecible útil para la detección. ^{[ 129 ] [ 130 ]}

Los científicos han construido prototipos de sensores para detectar ADN de animales en el aire aspirado, lo que se conoce como "ADNe aerotransportado". ^{[ 131 ]}

Las "nanoantenas" hechas de ADN —un nuevo tipo de antena óptica a nanoescala— pueden unirse a proteínas y producir una señal por fluorescencia cuando estas realizan sus funciones biológicas, en particular para cambios conformacionales específicos . ^{[ 132 ] [ 133 ]}

El grafeno es una sustancia bidimensional a base de carbono con propiedades ópticas, eléctricas, mecánicas, térmicas y mecánicas superiores. La capacidad de absorber e inmovilizar una variedad de proteínas, particularmente algunas con estructuras de anillo de carbono, ha demostrado que el grafeno es un excelente candidato como transductor de biosensor. Como resultado, en los últimos tiempos se han explorado y desarrollado varios biosensores basados ​​en grafeno. ^{[ 15 ] [ 134 ]} El grafeno se ha empleado como biosensor en varios formatos, especialmente sensores electroquímicos y transistores de efecto de campo. Entre ellos, los transistores de efecto de campo de grafeno (GFET) en particular han mostrado un excelente rendimiento como diagnósticos rápidos en el punto de atención (PoC), como se observa a través de un aumento en el número de artículos de investigación que informan diagnósticos de COVID-19 utilizando GFET. Se ha informado que tienen uno de los límites de detección más bajos, además de un tiempo de respuesta rápido de unos pocos segundos junto con capacidades de multiplexación. ^{[ 135 ]} Estas capacidades permiten la detección inmediata de enfermedades, especialmente en casos con síntomas superpuestos que son difíciles de distinguir al principio, lo que permite mejores resultados para los pacientes, especialmente en entornos médicos con recursos limitados.