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Desarrollan biosensores con nanopartículas para detectar glucosa en sangre

Fue ideado por un equipo interdisciplinario y permite detectar indirectamente la presencia y cantidad de glucosa en una muestra. Se utiliza dentro de un dispositivo estándar para el análisis de reacciones electroquímicas. La clave radica en las nanopartículas de magnetita recubiertas con carbono, cuya producción demandó que las investigadoras utilizaran un método simple y de bajo costo de obtención. Por ahora, es una innovación de gran sensibilidad y rapidez que se aplica en mediciones experimentales de laboratorio. [03.12.2014]

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Desarrollan biosensores con nanopartículas para detectar glucosa en sangre

Mercedes Arana, becaria del Conicet, junto a Paula Bercoff en los momentos previos a la producción de nanopartículas

Ariel Orazzi
Por Ariel Orazzi
Redacción UNCiencia
Prosecretaría de Comunicación Institucional
aorazzi@comunicacion.unc.edu.ar

Un equipo de bioquímicas y físicas de la Universidad Nacional de Córdoba (UNC) desarrolló un biosensor que permite detectar electroquímicamente y cuantificar la cantidad de glucosa (azúcar) en sangre. La clave del desarrollo es el uso de nanopartículas de magnetita (óxido de hierro) recubiertas de carbono, lo que proporciona al análisis una gran sensibilidad y rapidez.

La medición de glucosa en sangre es el método principal para la detección de la diabetes y constituye un procedimiento cotidiano para su control y seguimiento clínico, tanto por parte de los profesionales de la salud como de las personas que poseen dicha afección. Según estimaciones de la Federación Internacional de la Diabetes, en América Central y América del Sur 25 millones de personas padecen esa enfermedad, de las cuales el 27,4% todavía no ha sido diagnosticada.

Biosensor

Cuando el extremo inferior del biosensor entra en contacto con la glucosa desencadena una reacción enzimática que produce peróxido de hidrógeno (H2O2),
más comúnmente conocido como “agua oxigenada”.
Esta sustancia provoca una alteración en el flujo de corriente que puede ser
medida y sirve como confirmación de la presencia de glucosa en la muestra.

El biosensor ideado por las investigadoras de la UNC tiene aplicación en mediciones de laboratorio, dentro de un dispositivo estándar que se utiliza para estudiar reacciones electroquímicas. Es decir, se analizan y evalúan reacciones químicas a través de las variaciones de corriente que estas producen.

¿Cómo funciona? El biosensor tiene entre sus componentes una enzima denominada glucosa oxidasa que, al entrar en contacto con la glucosa, desencadena una reacción enzimática que produce peróxido de hidrógeno (agua oxigenada). La presencia de esta sustancia provoca variaciones de corriente en un circuito de corriente constante y estas variaciones son las que permiten cuantificar la cantidad de glucosa existente en la muestra. Se trata de una medición de tipo indirecta porque lo que se registra es la variación de corriente generada por el peróxido de hidrógeno.

Así, el biosensor tiene una doble función: por un lado, provoca una reacción química a través de sus componentes; y por el otro, se comporta como un electrodo que colabora en el registro de variaciones en el flujo de corriente ocasionadas por esa reacción.

Nanopartículas recubiertas de carbono

Una de las claves del biosensor es el uso de nanopartículas recubiertas de carbono. Paula Bercoff, una de las investigadoras del equipo, logró sintetizar nanopartículas de magnetita, un óxido de hierro que, además de propiedades magnéticas, tiene la capacidad de acelerar ciertas reacciones químicas.

Para producir estas nanopartículas, Bercoff ideó un método sencillo y de bajo costo. Se trata de una molienda de alta energía que consiste en introducir hematita –el óxido de hierro más común– junto con carbono en polvo y esferas de acero en un molino especial que gira a 800 revoluciones por minuto.

La proporción de los materiales precursores es tal que luego de pocas horas se obtienen nanopartículas de magnetita recubiertas con carbono. Durante el proceso de molienda, la potencia de la fricción y los golpes ocasiona que los materiales puedan alcanzar temperaturas locales de hasta 400 a 500 grados centígrados.

“Lo interesante de las nanopartículas –explica Bercoff– es que, por su tamaño tan reducido, la superficie expuesta es mucho mayor que si las partículas fueran más grandes, lo que favorece los procesos que se dan en la superficie y por lo tanto mejoran la calidad y cantidad de señal detectable en las mediciones".

En la imagen, polvo de carbono (negro), hematita (rojizo) y las esferas de acero, junto
al recipiente donde se producirán las nanopartículas

Por otra parte, la incorporación de un material conductor como el carbono les permitió registrar una mejor respuesta en términos de velocidad de reacción, que está en el orden de los 10 a 12 segundos, lo mismo que los aparatos de medición rutinaria que hay en el mercado. “Además –agrega Marcela Rodríguez, otra de las integrantes del equipo– mejoramos la sensibilidad, es decir, logramos detectar respuestas en muestras cuya concentración de glucosa es muy pequeña”. Las pruebas con el biosensor ampliaron lo que se llama “el límite de detección”, el mínimo valor a partir del cual se logra identificar y mensurar la presencia de una sustancia.

En este punto, Rodríguez destaca el trabajo de Bercoff: “Paula logró sintetizar las nanopartículas en un proceso sencillo y de bajo costo. Además, se puede obtener una cantidad importante de una sola vez. Cuando decimos cantidad importante estamos hablando de cinco gramos”, aclara.

Según los estudios y pruebas realizados, solamente con un 10% de nanopartículas en la composición final de la pasta que conforma el electrodo está garantizada la capacidad y calidad de medición.

Electrodos de pasta

A las nanopartículas de magnetita recubiertas con carbono se las mezcla con polvo de grafito, que forma el material de electrodo; glucosa oxidasa, un catalizador biológico que permite acelerar las reacciones químicas, y, finalmente, un aceite mineral que aglutina los diferentes componentes transformándolos en una pasta homogénea de fácil manipulación.

Este material es embutido en un tubo de teflón (que es inerte). El contacto eléctrico con el material de electrodo se realiza a través de un tornillo de bronce que funciona como conductor electrónico en la conformación del circuito eléctrico para registrar la información obtenida. Así, queda armado un bioelectrodo: el biosensor de glucosa que permite detectar la presencia y cantidad de glucosa.

Cómo se realiza la medición

Funcionamiento de la celda electroquímica


1 - Electrodo auxiliar (de platino)
2 - Electrodo de referencia
3 - Biosensor (electrodo de trabajo)
4 - Micropipeta

El proceso de medición se inscribe dentro de la electroquímica, por eso el carácter conductor del carbono modificado con las nanopartículas juega un papel determinante. La medición requiere aplicar una diferencia de potencial eléctrico entre el electrodo de referencia y el biosensor. El electrodo auxiliar permite la circulación de corriente con este útimo y cierra el circuito eléctrico. Todos están sumergidos en una solución conductora.

Constituida la celda electroquímica, el registro de corriente es constante. Con una micropipeta se incorpora la sustancia a medir. Cuando la glucosa de la muestra entra en contacto con la glucosa oxidasa del biosensor se genera peróxido de hidrógeno. Lo que se mide es la variación de corriente provocada por la cantidad de peróxido de hidrógeno producido enzimáticamente, y que está relacionada directamente con la cantidad de glucosa presente en la muestra.

 Las mediciones efectuadas con el biosensor alcanzaron corrientes máximas de aproximadamente 700 nanoamperes en promedio para una concentración de glucosa de 77 mg% (miligramos por ciento, valor dentro del rango normal de glucosa en sangre).

En el sistema de medición, todos los electrodos están conectados a una computadora que registra las fluctuaciones en el circuito eléctrico.

En el diagrama de la derecha puede observarse cómo es el registro. El primer pico equivale a un “encendido” de la celda electroquímica. Luego el flujo de corriente se mantiene constante. Pero al detectar glucosa, ese valor decae escalonadamente. Precisamente esto último confirma la presencia de glucosa en la muestra.

Marcela Rodríguez controlando la celda electroquímica

“Lo que se mide es la variación de corriente provocada por la cantidad de peróxido de hidrógeno (agua oxigenada) producido enzimáticamente, y esto se relaciona directamente con la cantidad de glucosa que contiene la muestra. O sea, a mayor concentración de glucosa, más peróxido de hidrógeno se produce enzimáticamente y mayor variación de corriente se observa. Medimos la cantidad de corriente que se produce y eso se correlaciona con la cantidad de glucosa presente en la muestra”, explica Rodríguez.

Las mediciones efectuadas con el biosensor alcanzaron corrientes máximas de aproximadamente 700 nanoamperes en promedio para una concentración de glucosa de 77 mg% (miligramos por ciento, valor dentro del rango normal de glucosa en sangre). O sea, que el instrumento permite medir variaciones de menos de un microampere, en muestras de hasta diez microlitros (una gota de sangre tiene 50 microlitros aproximadamente).

La escala comercial

“Las técnicas electroquímicas son todas miniaturalizables –argumenta Rodríguez–. Como se trata de pasta, también se puede pensar en técnicas o mecanismos “one shot”, es decir, mediciones de un solo uso, descartables”.

El equipo de investigación evalúa como muy positivos sus descubrimientos en relación a las potencialidades a futuro. El bajo costo de los materiales y la facilidad de los procesos de producción junto con las ventajas en cuanto a manipulación, portabilidad y conservación del biosensor son claves en el desarrollo de este novel dispositivo.

Sin embargo, son cautelosas respecto de las posibilidades de plantear desarrollos de tipo comerciales. En primer lugar porque el trabajo proponía el desarrollo y estudio del biosensor a escala de laboratorio. Y en segundo lugar, porque “la posibilidad de desarrollar estos instrumentos de medición de glucosa comerciales implica competir con industrias farmacéuticas multinacionales muchas de ellas con sede central en los Estados Unidos”, lo cual involucra factores económicos y de mercado mucho más complejos y de otra escala y magnitud.

En la actualidad, los aparatos de medición de glucosa domésticos/personales trabajan con sistemas ópticos. El biosensor con nanopartículas recubiertas con carbono plantea una alternativa diferente.

Integrantes del equipo científico que desarrolló el biosensor
Marcela Rodríguez, investigadora independiente del Instituto de Investigaciones en Físico-Química de Córdoba (INFIQC-Conicet) y Profesora Adjunta en la Facultad de Ciencias Químicas (UNC).

Paula Bercoff, investigadora independiente del Conicet  en el Instituto de Física Enrique Gaviola (IFEG-Conicet-UNC) y Profesora Asociada de la Facultad de Matemática, Astronomía y Física (UNC). 

Cecilia Tettamanti, becaria del Conicet en el Instituto de investigaciones en Físico-Química de Córdoba (INFICQ) y estudiante de doctorado de la Facultad de Ciencias Químicas (UNC).

Mercedes Arana, becaria del Conicet y estudiante de doctorado de la Facultad de Matemática, Astronomía y Física (UNC).
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