1 UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE CIENCIAS UNIDAD DE POSGRADO MAESTRIA EN QUIMICA IMPORTANCIA DEL DESARROLLO DE LOS BIOSENSORES EN LA CIENCIA MÉDICA CURSO: FISICOQUIMICA AVANZADA PROFESORA: ANGELICA BAENA ALUMNO: DANIEL ERNESTO ROSALES INTTI 2020 2 Importancia del desarrollo de los biosensores en la ciencia médica Los biosensores son dispositivos analíticos que convierten una respuesta biológica en una señal eléctrica. Los biosensores por excelencia deben ser muy específicos, independientes de parámetros físicos como el pH y la temperatura, y deben ser reutilizables. La fabricación de biosensores, sus materiales, dispositivos de transducción y métodos de inmovilización requieren una investigación multidisciplinaria en química, biología y ingeniería. Los materiales utilizados en los biosensores se clasifican en tres grupos según sus mecanismos: grupo biocatalítico que comprende enzimas, grupo de bioactividad que incluye anticuerpos y nucleico. Su papel en la ciencia médica, incluida la detección en etapa temprana de enfermedades cardíacas que causan interleucina-10 humana, detección rápida del virus del papiloma humano, etc. Tienen vital importancia en el desarrollo de la medicina. Los biosensores fluorescentes juegan un papel vital en el descubrimiento de fármacos y en el cáncer. (Mehrotra, 2016) El cáncer de mama es altamente prevalente en las mujeres y representa el segundo mayor número de muertes en todo el mundo. Las técnicas de detección engorrosas, costosas y que consumen mucho tiempo disponibles actualmente para la detección del cáncer de mama potencian la necesidad de desarrollar dispositivos novedosos, específicos y ultrasensibles. Los biosensores son los dispositivos de detección prometedores y selectivos que tienen un inmenso potencial como herramientas de punto de atención. (Mittal et al., 2017) Varios biosensores de cáncer de mama desarrollados hasta ahora y su evaluación técnica con respecto a la eficiencia y potencia de los biorreceptores y biotransductores seleccionados. Uso de glicoproteínas, biomarcadores de ADN, micro-ARN, se introducen brevemente las células tumorales circulatorias (CTC) y algunos biomarcadores potenciales. También es importante el estudio de las estrategias utilizadas en la amplificación de señal, tales como nanomateriales, mediadores redox, proteína p19, nucleasasespecíficas dúplex (DSN) y ciclos redox. Un biosensor para el diagnóstico de cáncer generalmente consta de un biomarcador (molécula objetivo), un biorreceptor (elemento de reconocimiento) y un biotransductor compatible. Estos componentes juegan un papel imperativo y deciden las especificaciones técnicas del dispositivo biosensor. Los biomarcadores presentes en la superficie celular o su desprendimiento de dominios extracelulares (ECD) en el suero son los analitos comunes utilizados como biomarcadores. (Marques et al., 2014) 3 Marques en 2014, desarrolló un inmunosensor electroquímico para el análisis de ECD de HER2 en suero humano usando un electrodo de carbono impreso en serigrafía modificado con nanopartículas de oro como transductor y un inmunoensayo tipo sándwich. El tiempo de análisis optimizado fue de 2 horas y 50 minutos. La curva de calibración (ip vs log [HER2 ECD]) se estableció entre 15 y 100 ng / mL y se logró un límite de detección de 4,4 ng / mL. De esta manera, el inmunosensor electroquímico desarrollado podría ser útil en el diagnóstico y seguimiento de pacientes con cáncer de mama (metastásico). a b Fig. 1. En a Imágenes SEM del electrodo de carbón serigrafiado modificado con nanopartículas de oro. En b representación esquemática del inmunoensayo. Los biosensores basados en grafeno para el análisis de PC se analizan principalmente en dos grupos: en primer lugar, Se construyeron nuevas interfaces de biosensores mediante la modificación de materiales de grafeno en las superficies de los sensores. En segundo lugar, se desarrollaron ingeniosas estrategias de amplificación de señal utilizando materiales de grafeno como catalizadores o portadores. Los biosensores basados en grafeno han mostrado un rendimiento notable con altas sensibilidades, amplios rangos de detección y estabilidad a largo plazo. (Xu et al., 2019) 4 Fig. 2. Esquema para la detección del cáncer de próstata, los materiales de grafeno se aplican para la construcción de nuevas interfaces y etiquetas de señal, en diferentes plataformas de análisis que incluyen electroquímicos, FET, fuorescencia, colorimétricos, biosensores ECL, etc. Como primer paso hacia una plataforma de detección, los investigadores desarrollaron varias estrategias diferentes para ensamblar el aptámero de ADN en el electrodo como elemento clave de reconocimiento. (Xu et al., 2019) Figura 3. SAM binario de TFV-aptámero y MCH como superficie de detección del biosensor. En el recuadro: estructura química de TFV con color rojo para oxígeno, púrpura para fósforo, azul claro para carbono, blanco para hidrógeno y azul oscuro para nitrógeno. En muchos estudios informados, los nanocompuestos a base de grafeno se prepararon primero con grafeno y otro material de peinado. Por ejemplo, Bafrooei modificó el electrodo con nanocompuesto de nanotubos de carbono de pared múltiple (MWCNT) rGO y luego 5 produjo una capa de nanopartículas de oro (AuNP) mediante reducción electroquímica por debajo de -0,2 V en HAuCl4, luego el aptámero de ADN marcado con SH se combinó con Au en la superficie del electrodo. Finalmente, su aptasensor logró un límite de detección de 1,0 pg / mL (LOD) utilizando los métodos DPV y ESI. Se aplicaron diferentes reacciones químicas para el ensamblaje del ADN en el grafeno. (Pan et al., 2017) Fig. 2 Ilustración esquemática de inmunosensores electroquímicos sin etiqueta para biomarcadores de proteínas de PC basados en: Un nanocompuesto de azul de grafeno-metileno, reimpreso con permiso de [93], Copyright 2011 Elsevier. B nanocompuesto de grafeno-Au (Reimpreso con permiso de [94]. Copyright 2014 Elsevier) 6 Referencias Marques, R. C. B., Viswanathan, S., Nouws, H. P. A., Delerue-Matos, C., & González-García, M. B. (2014). Electrochemical immunosensor for the analysis of the breast cancer biomarker HER2 ECD. Talanta, 129, 594–599. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2014.06.035 Mehrotra, P. (2016). Biosensors and their applications - A review. Journal of Oral Biology and Craniofacial Research, 6(2), 153–159. https://doi.org/10.1016/j.jobcr.2015.12.002 Mittal, S., Kaur, H., Gautam, N., & Mantha, A. K. (2017). Biosensors for breast cancer diagnosis: A review of bioreceptors, biotransducers and signal amplification strategies. Biosensors and Bioelectronics, 88, 217–231. https://doi.org/10.1016/j.bios.2016.08.028 Pan, L. H., Kuo, S. H., Lin, T. Y., Lin, C. W., Fang, P. Y., & Yang, H. W. (2017). An electrochemical biosensor to simultaneously detect VEGF and PSA for early prostate cancer diagnosis based on graphene oxide/ssDNA/PLLA nanoparticles. Biosensors and Bioelectronics, 89, 598–605. https://doi.org/10.1016/j.bios.2016.01.077 Xu, L., Wen, Y., Pandit, S., Mokkapati, V. R. S. S., Mijakovic, I., Li, Y., Ding, M., Ren, S., Li, W., & Liu, G. (2019). Graphene-based biosensors for the detection of prostate cancer protein biomarkers: A review. https://doi.org/10.1186/s13065-019-0611-x BMC Chemistry, 13(1), 1–12.
