Se tuvo la oportunidad de dialogar con el Dr. Peter Ertl, profesor y director del equipo de investigación sobre células en chip de la Unidad Técnica de Viena (TUW), y se revelaron algunos hechos increíbles sobre su trabajo con respecto a la tecnología «lab-on-a-chip» (trad. lit. laboratorio en un chip). Estos dispositivos diminutos y autosuficientes pueden usarse para estudiar prácticamente todo, desde la toxicidad de los medicamentos contra el cáncer hasta la permeabilidad de la barrera hematoencefálica. Actualmente, esta tecnología se usa para desarrollar pruebas de diagnóstico de la COVID-19 con el potencial de ofrecer resultados rápidos y precisos en cuestión de unos pocos minutos.
Para el Dr. Ertl, los métodos en curso para diagnosticar la COVID-19 no ofrecen una buena combinación de rapidez, sensibilidad y fiabilidad: aspectos necesarios que permitirían responder correctamente a la pandemia actual. «Por un lado, las PCR pueden detectarlo todo pero no son escalables y suelen tardar 24 horas en ofrecer un resultado. En realidad, el resultado es válido por unos pocos días, por lo que no se podría asistir a eventos a largo plazo como conferencias. Los métodos alternativos actuales, como las pruebas de antígenos y las pruebas de flujo lateral sencillamente no presentan la sensibilidad suficiente. Aunque pueden ofrecer buenos resultados en el caso de personas sintomáticas con una alta carga viral; no obstante, es igual de importante detectar a personas asintomáticas que pueden estar propagando la enfermedad sin saberlo».
Desarrollo de una herramienta de diagnóstico efectiva y eficiente para la COVID-19 con biochips dotados de capacidad de transmisión de datos
Para poder abordar estos pormenores, el Dr. Ertl y su equipo han desarrollado una tecnología de biochip que podría detectar con fiabilidad de tres a cinco partículas virales en tan solo unos minutos, a la vez que elimina los falsos negativos. Por consiguiente, las personas asintomáticas podrían diagnosticarse de forma definitiva y aislarse para reducir la propagación de la COVID-19.
El biochip ha sido diseñado de modo a mantener su propia fuente de energía, unidad de visualización y capacidad de intercambio inalámbrico de datos (Figura 1). Los resultados pueden transferirse directa e inmediatamente al centro epidemiológico requerido. Esta transmisión de recopilación de datos favorece considerablemente el registro de brotes y números de caso con mucha precisión.
Figura 1. Funcionamiento del biochip para la COVID-19. La tecnología de biochip utiliza un cultivo de anticuerpo que está inmovilizado en la cámara microfluídica. Este compuesto liga cualquier virus objetivo que esté presente en la muestra, en este caso el virus SARS-CoV 2, que provoca la COVID-19. Posteriormente, un anticuerpo secundario marcado con nanogold se une a las partículas virales ligadas. En esta fase, al añadir la solución de plata, ésta reacciona con el oro para producir nanopuentes conductivos. A su vez, una corriente eléctrica puede fluir y activar los LED o incluso conectarse con un dispositivo de comunicación integrado para transferir los datos de forma inalámbrica.
Función de la plataforma IXplore™ de Olympus en la validación de la prueba con biochips para la COVID-19
El correcto funcionamiento de la tecnología depende de la calidad de los anticuerpos y de lo bien que estén inmovilizados en la superficie de la cámara microfluídica, además de la separación entre los terminales eléctricos interrumpidos. Para optimizar este aspecto, el Dr. Ertl y el equipo de investigación de células en chip han probado diversas estrategias de inmovilización. La utilización del sistema microscópico IXplore™ Live de Olympus y los anticuerpos secundarios con marcado fluorescente les permitió evaluar parámetros clave, como la densidad, la orientación y la alineación de los anticuerpos; todos ellos aspectos críticos para el éxito del biochip (Figura 2).
Figura 2. Utilización del microscopio IXplore Live de Olympus y anticuerpos secundarios con marcado fluorescente para determinar la inmovilización de la densidad de anticuerpos IgC de rata caprina en un sustrato de vidrio con una magnificación 4x. La imagen muestra los niveles decrecientes de concentración de anticuerpos (de izquierda a derecha) en línea con los niveles decrecientes de intensidad de fluorescencia.
El Dr. Ertl mencionó: «El sistema IXplore Live ha resultado muy útil para aumentar el desarrollo del chip. Ofrece a nuestro laboratorio exactamente lo que necesitábamos en términos de resolución de imagen y precio. Además de la COVID-19, lo estamos utilizando para nuestros proyectos de órgano en chip y ha resultado ser un verdadero caballo de guerra en nuestro laboratorio. Particularmente, la excelente resolución, la cámara hipóxica y la capacidad de actualizar el sistema para adaptarlo al procesamiento de imágenes confocales han sido elementos muy beneficiosos en nuestro trabajo de investigación».
Aplicaciones para otras enfermedades como el cáncer o el Parkinson
Además de la plataforma de diagnóstico viral, la tecnología de biochip está siendo aprovechada para diversas aplicaciones innovadoras. En el laboratorio del Dr. Ertl, están investigando los sistemas microfluídicos de cultivos celulares avanzados que pueden replicar la compleja arquitectura en 3D de los tejidos y los órganos, conocidos como dispositivos de órgano en chip o tejido en chip. Estos biochips están siendo usados como modelos biológicos para investigar la estructura y la función de los tejidos; asimismo, proporcionan nuevos datos sobre la aparición y la progresión de enfermedades como el cáncer, enfermedades autoinmunes y neurodegenerativas.
Figura 3. Imágenes capturadas por el equipo de investigación de la TUW usando el microscopio IXplore Live de Olympus. Imágenes de izquierda a derecha: (1) células HUVEC con marcado GFP con perfusión de dextrano de TRITC (magnificación 20x) (2) células HUVEC con marcado GFP (magnificación 4x) (3) F-actina y VE-cadherina con marcado DAPI (magnificación 20x). 14
El Dr. Ertl explicó que el microscopio IXplore Live ha pasado a ser una herramienta importante para la investigación de órganos en chip. La alta resolución es fundamental para validar el ensamble de la célula en 3D y permite comprobar si la arquitectura simula la estructura del tejido humano real. Por ejemplo, el equipo de TUW ha utilizado el microscopio IXplore Live para seguir la progresión de la interconexión en la circulación sanguínea y linfática, así como el desarrollo de la enfermedad de Parkinson integrada en un sensor mediante una plataforma de chip. En este último proyecto, el microscopio IXplore Live ha sido fundamental para poder estudiar el crecimiento neurítico y las imágenes de calcio. El equipo de investigación espera que esto permita diseñar un modelo mesencéfalo humano que optimizará nuestra comprensión sobre los aspectos del neurodesarrollo de la enfermedad de Parkinson.
El grupo destacó además que la capacidad de combinar el microscopio IXplore Live con una cámara hipóxica resultó ser una opción de suma importancia para su laboratorio; esta se empleó en el desarrollo de casi todos los dispositivos microfluídicos. Sarah Spitz, miembro del grupo de investigación del Dr. Ertl, explicó «usamos la cámara hipóxica principalmente para estudiar la permeabilidad al oxígeno de los diversos materiales para la fabricación de dispositivos microfluídicos. La permeabilidad al oxígeno es un parámetro importante, ya que tiene efectos en la disponibilidad del oxígeno de las células en curso de cultivo. La utilización de esta configuración y un sensor de oxígeno integrado en el chip permitió determinar estas propiedades características de forma realmente sencilla».
Potencial tecnológico del biochip más allá de la COVID-19
Las pruebas virales en biochips no solo representan una herramienta potencialmente rápida y flexible para supervisar la pandemia actual, sino que la inversión en la plataforma también podría resultar productiva para el diagnóstico de otras enfermedades. Esta tecnología portátil y autosuficiente puede aprovecharse en zonas remotas o donde el almacenamiento de las vacunas es un problema, como para la hepatitis B en Pakistán o el ébola en África. Análogamente, el futuro de la tecnología de órgano en un chip representa un gran potencial y promete desarrollos excitantes para el tratamiento de muchas enfermedades. Como ocurre con la prueba para la COVID-19, el Profesor Ertl espera poder desarrollar el primer prototipo industrial en los próximos meses.
