Hologramas en hidrogel para prevenir infartos

La etiología es el estudio causal de los fenómenos, entre ellos las enfermedades. Los médicos deben ejercer en ocasiones como detectives para identificar la causa de una dolencia y tener así más herramientas para frenar su avance. La tecnología ayuda a anticiparse mediante herramientas de diagnóstico precoz, un apartado donde entran en juego los biomarcadores. Se trata de indicadores biológicos que revelan algo sobre el estado de salud de una persona; por ejemplo, un biomarcador de inflamación en sangre que pueda advertir del desarrollo de una enfermedad ulterior.

Para seguir avanzando en el potencial biomédico, un equipo de investigación de la Universidad de Alicante (UA) está trabajando en un proyecto en el ámbito de la holografía y la nanofotónica que, entre otras aplicaciones, promete la detección rápida y precisa de biomarcadores. El proyecto lleva por nombre HoloNanoFab3D y está dirigido por Augusto Beléndez Vázquez y María Inmaculada Pascual Villalobos, catedráticos de Física Aplicada y de Óptica en la UA.

El trabajo se centra en el desarrollo de biosensores holográficos, un tipo de dispositivos con un gran potencial para la detección de moléculas de interés biológico. «Este tipo de sensores tiene numerosas aplicaciones posibles, tales como la detección de disolventes y vapores orgánicos, gases, iones metálicos disueltos en medios acuosos, moléculas y biomoléculas. Una de las aplicaciones más interesantes en la actualidades la detección de proteínas, enzimas y anticuerpos relevantes para el diagnóstico biomédico», explica Manuel Gutiérrez, integrante del equipo de investigadores que está llevando a cabo el proyecto.

Una de las proteínas que se quiere detectar con este proyecto es la proteína C-reactiva, un biomarcador reconocido ampliamente en el campo de la medicina que desempeña un papel importante en los procesos inflamatorios y para predecir enfermedades cardiovasculares. «Es una proteína cuyos niveles aumentan en el organismo cuando se produce una inflamación, de modo que su detección permite identificar indicios de enfermedades o dolencias de este tipo, así como también cardiovasculares, metabólicas e infecciosas», indica el investigador.

Estos biosensores holográficos consisten en hologramas en transmisión o reflexión almacenados en fotohidrogeles que son sintetizados en el propio laboratorio. El sensor está fabricado a partir de una película transparente de hidrogel, «un material similar a una lentilla, pero que no tiene forma curva, sino plana», explica gráficamente Inmaculada Pascual. Los investigadores trabajan con el hidrogel en forma de una lámina delgada del orden de micrómetros, que generalmente se dispone sobre un soporte vidrio para darle estabilidad.

«Lo que grabamos son variaciones sinusoidales del índice de refracción en el interior del fotohidrogel, que se traducen en un patrón holográfico. Cuando la proteína u otra biomolécula interactúa con el biosensor, las propiedades ópticas (rendimiento y longitud de onda de difracción) del holograma cambian. Estos cambios se utilizan como transductores de la señal óptica pudiendo medirse con alta sensibilidad», explica Inmaculada. En resumen, las modificaciones en las propiedades ópticas del holograma indican que la sustancia que se quiere detectar está presente. Según la catedrática de la UA, «la ventaja de este sistema es que pequeñas concentraciones producen cambios detectables en la señal óptica, lo que hace que el dispositivo sea extremadamente sensible».

Para poder llevar a cabo la detección, el material utilizado incorpora un grupo molecular capaz de reconocer de forma específica la biomolécula que se quiere detectar, lo que permite cuantificar su concentración, por ejemplo, en una muestra de suero humano. De esa manera se pueden determinar los niveles de una proteína como la C-reactiva en una persona y evaluar si presenta una inflamación o algún proceso asociado.

Del mismo modo, este principio puede aplicarse a la detección de otras sustancias de interés en diversos campos tales como la industria alimentaria, farmacológica y agricultura.. «En la bibliografía científica, lo más común hasta ahora ha sido la detección de glucosa mediante este tipo de biosensores holográficos», explica Gutiérrez. También se han identificado enzimas como la amilasa o la proteasa; la primera de ellas relacionada con enfermedades pancreáticas, y la segunda participante en procesos metabólicos esenciales. «Además, hay biomarcadores asociados a problemas cardíacos que también podrían detectarse mediante estos sistemas».

La gran ventaja de los biosensores holográficos es que se puede adaptar el dispositivo simplemente cambiando la molécula receptora que se incorpora al hidrogel. Así, es posible diseñar sensores específicos para diferentes biomoléculas y cuantificar su presencia de manera óptica. Además, su fabricación no es complicada, explican los responsables del proyecto, y el coste de producción es relativamente bajo en comparación con otros tipos de sensores, como los electroquímicos.

Aunque los investigadores de la UA llevan muchos años trabajando en holografía, las aplicaciones biomédicas de esta tecnología son relativamente recientes. Hasta hace poco, muy pocos grupos investigaban en esta línea, aunque en los últimos años el interés ha crecido.

Manuel señala que el aspecto innovador del trabajo es que se ha conseguido desarrollar hologramas estables en medio líquido, algo que representa un factor muy importante para su almacenamiento en hidrogeles y su posterior empleo como sensores. «Tradicionalmente, los hologramas se depositaban en películas secas que se disolvían al contacto con el agua, por lo que no podían introducirse en soluciones líquidas, que son precisamente el entorno en el que se encuentran la mayoría de las muestras biológicas, como el suero o la sangre».

Para hacerlo posible, el equipo de la UA ha desarrollado un material que no es soluble en agua, manteniendo estable el holograma incluso sumergido. «Este avance es fundamental, porque hasta ahora uno de los principales retos era precisamente la inestabilidad de los hologramas en medios acuosos», explica el investigador.

De hecho, uno de sus últimos trabajos se ha centrado en modelar teóricamente y describir cómo cambia la respuesta óptica del holograma al sumergirse en un líquido, para distinguir si las variaciones se deben a la detección de la biomolécula o a una degradación del propio material. «Esa distinción es crucial, y poder garantizar la estabilidad óptica del holograma representa un paso clave en el desarrollo de sensores fiables».

Ambos investigadores reconocen además que la aplicación de esta tecnología en la práctica médica sería muy factible. «El material es fácil de fabricar, económico y escalable a nivel industrial. Además, la miniaturización no supone un problema: los hologramas son muy pequeños, de aproximadamente medio centímetro de diámetro, lo que implica que se necesita muy poca cantidad de muestra para realizar una detección», asegura Gutiérrez.

Esto no solo reduce los costes de fabricación del dispositivo, sino también el coste de las muestras empleadas, lo que la convierte en una tecnología sensible, económica y adaptable, con gran potencial para la detección rápida y precoz de biomarcadores asociados a diversas enfermedades.

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