El prototipo. Imagen: Jiho Vallooran. Fuente: ETH Zurich.
Investigadores de la Escuela Politécnica Federal de Zúrich (Suiza) han desarrollado un nuevo método de diagnóstico médico basado en la birrefringencia, la capacidad de las sustancias para cambiar el estado de polarización de la luz. Con este método se puede detectar con facilidad, rapidez y fiabilidad la malaria, el ébola o el VIH, entre otros.
Se coloca una gota de sangre en una sustancia-soporte especial, y tras unos pocos minutos, el portaobjetos se coloca en un dispositivo que emite luz polarizada gracias a un filtro de polarización barato. Se cubre con una tapa que contiene un segundo filtro de polarización, que bloquea la luz de todos los materiales excepto los materiales cristalinos o con propiedades direccionales.
Si la luz es visible a través del filtro polarizador cruzado, se hace un diagnóstico positivo. También es posible medir la intensidad de la luz, y por lo tanto la cantidad del patógeno, a través de un medidor de luz sencillo conectado a un teléfono inteligente y controlado a través de una aplicación.
El grupo de investigación dirigido por Raffaele Mezzenga, profesor de Alimentos y materiales suaves, ha publicado un artículo científico en la revista Advanced Functional Materials, en el que se describe este sistema, que cuesta menos de 20 euros.
Aunque el concepto que hay detrás de esta nueva tecnología es muy general y parece fácil de operar, la base científica que subyace es extremadamente compleja.
Los científicos utilizan el fenómeno de la birrefringencia de la luz polarizada de los cristales líquidos liotrópicos basados en lípidos, que consisten en estructuras auto-ensambladas de moléculas de grasa en agua. El grupo de Mezzenga lleva trabajando con estos cristales líquidos durante mucho tiempo y los utiliza también para otras aplicaciones, tales como la administración de fármacos y la cristalización de proteínas.
Los cristales líquidos liotrópicos se organizan en redes especiales con simetría única, lo que significa que su motivo básico se repite periódicamente. En el caso de las fases cúbicas de cristal líquido, los canales están hechos de membranas bicapa de lípidos en agua y tienen un diámetro de sólo unos pocos nanómetros, por lo que sólo unas pocas moléculas de agua libres están disponibles en el cristal líquido, mientras que la mayoría se une a las paredes del canal.
Estas fases cúbicas de cristal líquido son isotrópicas, o por decirlo así, no tienen propiedades birrefringentes, lo que significa que si una lámina con una capa de películas de cristal líquido liotrópico se coloca bajo una fuente de luz que permite que la luz polarizada pase a través, parece negra cuando se observa a través de otro polarizador inclinado a 90°.
Para lograr la birrefringencia y así recibir una señal, los investigadores utilizaron un truco: añadieron ciertas enzimas al cristal líquido para permitir una reacción química en los nanotubos. Dado que en ellos sólo una pequeña cantidad de agua está disponible libremente, los productos de las reacciones precipitaron juntos para formar cristales, los cuales sí son birrefringentes.
Una mirada más cercana a la muestra a través de un segundo filtro de polarización colocado por encima de ella y perpendicular al primer muestra un patrón de luz en los casos en que la enzima ha reaccionado con la sustancia analizada. "Este patrón de birrefringencia es la única señal que tenemos que utilizar para el diagnóstico y análisis", dice Mezzenga en la información de la Escuela.
Se coloca una gota de sangre en una sustancia-soporte especial, y tras unos pocos minutos, el portaobjetos se coloca en un dispositivo que emite luz polarizada gracias a un filtro de polarización barato. Se cubre con una tapa que contiene un segundo filtro de polarización, que bloquea la luz de todos los materiales excepto los materiales cristalinos o con propiedades direccionales.
Si la luz es visible a través del filtro polarizador cruzado, se hace un diagnóstico positivo. También es posible medir la intensidad de la luz, y por lo tanto la cantidad del patógeno, a través de un medidor de luz sencillo conectado a un teléfono inteligente y controlado a través de una aplicación.
El grupo de investigación dirigido por Raffaele Mezzenga, profesor de Alimentos y materiales suaves, ha publicado un artículo científico en la revista Advanced Functional Materials, en el que se describe este sistema, que cuesta menos de 20 euros.
Aunque el concepto que hay detrás de esta nueva tecnología es muy general y parece fácil de operar, la base científica que subyace es extremadamente compleja.
Los científicos utilizan el fenómeno de la birrefringencia de la luz polarizada de los cristales líquidos liotrópicos basados en lípidos, que consisten en estructuras auto-ensambladas de moléculas de grasa en agua. El grupo de Mezzenga lleva trabajando con estos cristales líquidos durante mucho tiempo y los utiliza también para otras aplicaciones, tales como la administración de fármacos y la cristalización de proteínas.
Los cristales líquidos liotrópicos se organizan en redes especiales con simetría única, lo que significa que su motivo básico se repite periódicamente. En el caso de las fases cúbicas de cristal líquido, los canales están hechos de membranas bicapa de lípidos en agua y tienen un diámetro de sólo unos pocos nanómetros, por lo que sólo unas pocas moléculas de agua libres están disponibles en el cristal líquido, mientras que la mayoría se une a las paredes del canal.
Estas fases cúbicas de cristal líquido son isotrópicas, o por decirlo así, no tienen propiedades birrefringentes, lo que significa que si una lámina con una capa de películas de cristal líquido liotrópico se coloca bajo una fuente de luz que permite que la luz polarizada pase a través, parece negra cuando se observa a través de otro polarizador inclinado a 90°.
Para lograr la birrefringencia y así recibir una señal, los investigadores utilizaron un truco: añadieron ciertas enzimas al cristal líquido para permitir una reacción química en los nanotubos. Dado que en ellos sólo una pequeña cantidad de agua está disponible libremente, los productos de las reacciones precipitaron juntos para formar cristales, los cuales sí son birrefringentes.
Una mirada más cercana a la muestra a través de un segundo filtro de polarización colocado por encima de ella y perpendicular al primer muestra un patrón de luz en los casos en que la enzima ha reaccionado con la sustancia analizada. "Este patrón de birrefringencia es la única señal que tenemos que utilizar para el diagnóstico y análisis", dice Mezzenga en la información de la Escuela.
El investigador Jiho Vallooran, utilizando el prototipo. Imagen: Laboratorio de Mezzenga. Fuente: ETH Zurich.
Pruebas
Al comienzo de su investigación, los científicos probaron su sistema con compuestos químicos que pueden ser convertidos enzimáticamente. A continuación, refinaron su método y lo adaptaron para sustancias médicamente relevantes, como la glucosa y el colesterol. En etapas subsiguientes, ampliaron el alcance a las pruebas de bacterias y virus, empezando por el VIH.
Normalmente, los virus y las bacterias deben hacerse visible y químicamente activos con anticuerpos específicos con enzimas acopladas a ellos para que puedan ser detectados por la birrefringencia.
Mezzenga y sus colegas fueron capaces de mostrar que su método también podía adaptarse para diagnosticar la malaria causada por parásitos Plasmodium. "El Plasmodium invade los eritrocitos y digiere la hemoglobina. El componente hemo, que es tóxico para los parásitos, se cristaliza y por lo tanto tiene superficies inherentemente birrefringentes. Así que no es necesario marcar con anticuerpos y no se requiere ninguna reacción enzimática", explica Mezzenga.
Los investigadores creen que el sistema puede ser utilizado sobre todo en las zonas donde los costosos equipos de laboratorio son de otro modo inaccesibles. Aparte de un refrigerador para almacenar los anticuerpos y enzimas, el usuario sólo necesita la caja para detectar la luz polarizada y la sustancia lipídica. El resultado se puede obtener en menos de una hora.
Los investigadores han presentado una solicitud de patente para la nueva tecnología. Hace falta más financiación para llevar el desarrollo al mercado, señalan.
Al comienzo de su investigación, los científicos probaron su sistema con compuestos químicos que pueden ser convertidos enzimáticamente. A continuación, refinaron su método y lo adaptaron para sustancias médicamente relevantes, como la glucosa y el colesterol. En etapas subsiguientes, ampliaron el alcance a las pruebas de bacterias y virus, empezando por el VIH.
Normalmente, los virus y las bacterias deben hacerse visible y químicamente activos con anticuerpos específicos con enzimas acopladas a ellos para que puedan ser detectados por la birrefringencia.
Mezzenga y sus colegas fueron capaces de mostrar que su método también podía adaptarse para diagnosticar la malaria causada por parásitos Plasmodium. "El Plasmodium invade los eritrocitos y digiere la hemoglobina. El componente hemo, que es tóxico para los parásitos, se cristaliza y por lo tanto tiene superficies inherentemente birrefringentes. Así que no es necesario marcar con anticuerpos y no se requiere ninguna reacción enzimática", explica Mezzenga.
Los investigadores creen que el sistema puede ser utilizado sobre todo en las zonas donde los costosos equipos de laboratorio son de otro modo inaccesibles. Aparte de un refrigerador para almacenar los anticuerpos y enzimas, el usuario sólo necesita la caja para detectar la luz polarizada y la sustancia lipídica. El resultado se puede obtener en menos de una hora.
Los investigadores han presentado una solicitud de patente para la nueva tecnología. Hace falta más financiación para llevar el desarrollo al mercado, señalan.
Referencia bibliográfica:
Vallooran JJ, Handschin S, Pillai SM, Vetter BN, Beck H-P, Rusch S, Mezzenga R.: Lipidic Cubic Phases as a Versatile Platform for the Rapid Detection of Biomarkers, Viruses, Bacteria and Parasites. Advanced Functional Materials (2015). DOI: 10.1002/adfm.201503428.
Vallooran JJ, Handschin S, Pillai SM, Vetter BN, Beck H-P, Rusch S, Mezzenga R.: Lipidic Cubic Phases as a Versatile Platform for the Rapid Detection of Biomarkers, Viruses, Bacteria and Parasites. Advanced Functional Materials (2015). DOI: 10.1002/adfm.201503428.