N.58 – Biodispositivos portables, implantables, inyectables

Como muestra de los aportes de la Bioingeniería y la Biotecnología para prolongar y mejorar la vida de las personas, en esta nota se reseñan siete (7) artículos referidos a biodispositivos portátiles, inyectables o implantables que actualmente están en desarrollo. Los sucesivos artículos se refieren a: (1) dispositivo implantable de diálisis, (2) biosensores portátiles para detectar virus en el entorno inmediato, (3) neuroprótesis implantables –sin cirugía- para personas afectadas por parálisis severas, (4) neuronanorrobots inyectables con funciones múltiples, (5) nueva técnica y biotinta para impresión 3D que permitiría imprimir tejido óseo directamente en el cuerpo del paciente, (6) parche epidérmico para monitoreo simultáneo de biomarcadores hemodinámicos y metabólicos, y (7) chip sensor para la detección de diversos biomarcadores de sepsis.

1.- Primer artículo: Dispositivo implantable de diálisis (Referencias 1.1. y 1.2)

Es sabido que la vida es insostenible para quienes padecen de insuficiencia renal (IR). La diálisis, que filtra la sangre para prevenir la IR, no experimentó innovaciones relevantes desde su invención hace 80 años.

El artículo reseñado se refiere a un dispositivo de diálisis implantable –denominado “Holly”- que filtra continuamente la sangre de los pacientes. Su necesidad surgió de la imposibilidad de las personas de llegar a los centros de diálisis debido a huracanes, incendios forestales, cortes de energía, cierres de carreteras y restricciones asociadas a la pandemia de COVID-19. El nombre del dispositivo –“Holly”- es el de una niña que sucumbió a una IR mientras esperaba un trasplante de riñón.

El equipo de investigación desarrolló un prototipo del dispositivo que –con un tamaño semejante al de una ciruela- cumple la función de hemofiltración o diálisis, previéndose que el modelo comercial podrá cumplir otras funciones de salud renal.

La expectativa es que los pacientes se mantengan sanos y con buena calidad de vida para el momento de recibir un trasplante de riñón. El proyecto -impulsado por los Dres. Nikhil Shah y Hiep Nguyen- resultó ganador de los premios 2020 Healthy Longevity Catalyst Awards de la National Academy of Medicine (EE.UU.), que forman parte de la Healthy Longevity Global Competition, una competencia internacional multianual que premia innovaciones revolucionarias para mejorar la salud física, mental y social de las personas a medida que envejecen.

2.- Segundo artículo: Biosensores portátiles para detectar virus en el entorno inmediato (Referencias 2.1. y 2.2)

Los impactos sanitarios, sociales y económicos de la propagación global del SARS-CoV-2 revelaron la urgente necesidad de sensores de virus pequeños, portátiles y fáciles de operar.

Los biosensores se describen como dispositivos analíticos compactos, provistos de sensores biológicos o biomiméticos, para detectar diversos analitos o patógenos relevantes para el medio ambiente, la salud y las industrias alimentarias. Deben reunir requisitos de sensibilidad, precisión, especificidad, no toxicidad y rentabilidad.

En el artículo aquí reseñado –proveniente de investigadores de la Universidad de Tohoku (Japón)- se revisa el estado del arte en materiales biosensores con el propósito de guiar el desarrollo de biosensores piezoeléctricos y magnetoestrictivos, de manera que pueda mejorarse la sensibilidad en el monitoreo de amenazas –actuales y previsibles- de virus. Incluye una descripción general de los principios físicos, una descripción crítica del trabajo experimental y un resumen de los atributos y limitaciones de diversos biosensores.

Los materiales piezoeléctricos convierten la energía mecánica en eléctrica. Los anticuerpos que interactúan con un virus específico se colocan en un electrodo incorporado a un material piezoeléctrico. Cuando el virus objetivo interactúa con los anticuerpos, provoca un aumento de masa que disminuye la frecuencia de la corriente eléctrica que circula a través del material, lo que indica su presencia. Este tipo de sensor se está investigando para detectar diversos virus, incluidos el del papiloma humano (causante del cáncer de cuello uterino), el VIH, la influenza A, el Ébola y la hepatitis B. Actualmente se está investigando su uso para detectar SARS-CoV-2 en el aire, de manera que pueda incorporarse en sistemas de ventilación para monitorear la propagación del virus en tiempo real.

Los materiales magnetoestrictivos convierten la energía mecánica en magnética y viceversa. Se han investigado para detectar infecciones bacterianas, como la fiebre tifoidea y porcina, así como esporas de ántrax. Los anticuerpos de sondeo se fijan en un chip biosensor colocado sobre el material magnetoestrictivo y luego se aplica un campo magnético. Si el antígeno objetivo interactúa con los anticuerpos, agrega masa al material, lo que induce a un cambio de flujo magnético que puede detectarse utilizando una “bobina captora-sensora”.

Concluye señalando que, para poder desarrollar aplicaciones (domésticas, industriales o de indumentaria inteligente) los investigadores necesitan desarrollar sensores con creciente efectividad y confiabilidad para detectar -con mayor sensibilidad, precisión y asequibilidad- virus con menor tamaño y peso. Estos biosensores se harán realidad con el sucesivo desarrollo de la ciencia de materiales, junto al progreso tecnológico en inteligencia artificial (IA), aprendizaje automático y análisis de datos.

3.- Tercer artículo: Neuroprótesis implantables –sin cirugía- para personas afectadas por parálisis severas (Referencias 3.1. y 3.2)

La parálisis severa y el quebranto de funciones motoras voluntarias suelen ser consecuencias de diversas afecciones que deterioran la función del cerebro, la médula espinal, los nervios periféricos o los músculos. Es frecuente que las personas que las padecen pierdan la capacidad para realizar actividades de la vida diaria y requieran cuidados especiales.

En los frecuentes casos de personas con parálisis en quienes la corteza motora permanece funcionalmente intacta., las interfaces cerebro-computadora (ICeCo) ofrecen el potencial de restaurar el control motor voluntario sobre dispositivos digitales. Si bien las ICeCo implantables, que funcionan como neuroprótesis motoras, tienen el potencial de restaurar impulsos motores voluntarios para controlar dispositivos digitales, su implantación requiere –frecuentemente- una cirugía con craneotomía.

La compañía estadounidense Synchronmed publicó recientemente los resultados de implantar en pacientes una innovadora ICeCo dentro del cerebro, sin requerir cirugía (*). El nombre del dispositivo –“Stentrode”- se asocia a que combina un stent con un electrodo. Se inserta mediante un catéter a través de la vena yugular. El catéter es suficientemente fino para llegar a las venas del cerebro. Una vez que el stent está ubicado en el sitio adecuado, se despliega y queda ubicado en la pared, con sensores y registro electroencefalográfico.

El Stentrode se comunica -mediante un cable- con un dispositivo electrónico (implantado en el pecho del paciente) que trasmite las señales registradas para crear una interfaz persona-computador a partir de la señal de electroencefalograma registrada desde dentro del propio cerebro. Las señales permiten registrar áreas del cerebro con mucha mayor calidad, nitidez y precisión que las que se obtienen mediante electrodos externos.

Si bien se trata de un dispositivo de investigación que aún no ha sido aprobado como dispositivo médico, ya fue implantado en pacientes que padecen de esclerosis amiotrófica lateral, quienes fueron entrenados para aprender a controlar una interfaz persona-computador con su pensamiento y teclear hasta 20 caracteres por minuto.

Se concluye destacando que es la primera vez que se logra, mediante una práctica ambulatoria: (a) implantar en el interior del cráneo de pacientes humanos (sin necesidad de cirugía) una neuroprótesis motora mínimamente invasiva, que utiliza una matriz endovascular de electrodo y stent para transmitir señales de electrocorticografía desde la corteza motora para el control de comandos múltiples de dispositivos digitales, y (b) retrasmitir las señales de modo inalámbrico desde el cuerpo del paciente a un ordenador. Se trata de un avance significativo en materia de interfaces cerebro-computador de bajo costo y de uso relativamente sencillo en la vida cotidiana.

(*) Participaron del proyecto investigadores de The University of Melbourne (Melbourne, Victoria, Australia), Synchron, Inc (Campbell, California, USA), Calvary Health Care Bethlehem (South Caulfield, Victoria, Australia), Stanford University (Stanford, California, USA), Melbourne Health (Parkville, Victoria, Australia), Austin Health (Heidelberg, Victoria, Australia), Battelle Memorial Institute (Columbus, Ohio, USA) y Monash University (Clayton, Victoria, Australia),

4.- Cuarto artículo: Neuronanorrobots inyectables con funciones múltiples (Referencias 4.1. y 4.2)

La nanorrobótica trata sobre el diseño y construcción de robots cuyos componentes (a escala molecular o a nanoescala) están cerca de la escala de un nanómetro, o que varían en tamaño de 0,1 a 10 micrómetros. Diversos expertos prevén que, durante la próxima década, nuestra sangre podría fluir con diminutos nanorrobots con la función de proteger nuestro sistema biológico y contribuir a que tengamos una vida larga y plena.

En el artículo reseñado, investigadores del Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica y del Departamento de Genética de la Facultad de Medicina de Harvard describen un nanorrobot de ADN autónomo que puede transportar cargas moleculares a las células, detectar las entradas de la superficie celular para la eventual activación, así como reconfigurar su estructura para entregar la carga útil. El dispositivo se puede cargar con una variedad de materiales y es controlado por una lógica codificada por aptámeros (ácidos nucleicos de cadena sencilla) que le permite responder a una amplia gama de señales en la regulación selectiva de sus funciones. Como prueba de principio y concepto, se utilizaron nanorrobots cargados con combinaciones de fragmentos de anticuerpos en dos tipos diferentes de estimulo de señalización celular en cultivo de tejidos.

Según IFL Science, los robots de ADN ya se están probando en animales para buscar y destruir células cancerosas. Estas hebras programadas de ADN tienen la capacidad de moverse a través del torrente sanguíneo e inyectar medicamentos coagulantes en los vasos sanguíneos alrededor de los tumores, bloqueando así el suministro de sangre.

Si los ensayos avanzan, estos nanobots podrían entregar medicamentos con un alto grado de precisión, administrando microdosis justo donde el paciente las necesita y previniendo efectos secundarios dañinos. Además podrían revolucionar el tratamiento del cáncer y de otras patologías celulares. Teóricamente, los nanobots podrían usarse, algún día, para monitorear constantemente nuestro cuerpo en busca de signos de enfermedades, transmitiendo constantemente esta información a una nube para que los sistemas de detección –y eventualmente el personal médico- los controlen en tiempo real.

5.- Quinto artículo: Nueva técnica y biotinta para impresión 3D de tejido óseo (Referencias 5.1. y 5.2)

Mientras que la impresión 3D de tejidos y órganos viene experimentando un notorio desarrollo, la construcción de tejido óseo biomimético resultó inhibida por la heterogeneidad de los microambientes óseos.

Esta reseña se refiere a una tinta (biotinta) cerámica -diseñada por un equipo de la Universidad de Nueva Gales del Sur (UNSW) en Sydney, Australia- que puede usarse en impresión 3D con células vivas y que permitiría imprimir huesos en 3D in situ, directamente en el cuerpo humano. Esta tinta –basada en apatita- se presenta como una pasta, pero, cuando se la combina con una gelatina, se endurece en una matriz de nanocristales similar a la estructura del tejido óseo real.

En el artículo se expone un ejemplo de construcciones de imitación ósea mediante impresión en 3D con dicha tinta mediante una matriz de microgel de apoyo con células vivas, a temperatura ambiente y sin necesidad de productos químicos invasivos, radiación o pasos de posprocesamiento. Se ofrece así una nueva estrategia para la fabricación de construcciones de imitación ósea para la regeneración de tejido óseo en microambientes personalizados y reparación ósea in vivo. El equipo intenta ahora imprimir grandes estructuras óseas impresas en 3D y realizar pruebas en animales.

6.- Sexto artículo: Parche cutáneo para monitoreo simultáneo de biomarcadores hemodinámicos y metabólicos (Referencias 6.1. y 6.2.)

El artículo reseñado se refiere al desarrollo de un parche cutáneo flexible y elástico, que puede ubicarse en el cuello del usuario, para realizar un seguimiento continuo de la presión arterial y la frecuencia cardíaca, así como para medir los niveles de glucosa, lactato, alcohol o cafeína.

Dado que se trata de un dispositivo portátil que monitorea simultáneamente señales cardiovasculares y bioquímicas, resulta útil tanto para autocontrol  del usuario, para monitoreo remoto, así como para pacientes internados. La novedad reside en haber fusionado sensores completamente diferentes en un pequeño parche que permite recopilar información diversa de manera no invasiva, sin causar malestar ni interrupciones de la actividad diaria.

El producto surge del desarrollo convergente de dos líneas de trabajo pioneras en el Center for Wearable Sensors de la UCSD: (a) dispositivos portátiles para monitorear diversas señales químicas, físicas y electrofisiológicas, y (b) parches cutáneos electrónicos para controlar la presión arterial. La convergencia de ambas líneas resultó en la creación de este primer dispositivo portátil, elástico y flexible. que combina el control de la presión arterial y el ritmo cardíaco con la detección química (glucosa, lactato, alcohol y cafeína). Estos últimos parámetros pueden asociarse a la medición de la presión arterial; por ejemplo, en caso de observarse picos en ésta, la lectura de biomarcadores puede indicar si esos picos se debieron a una ingesta de alcohol o cafeína.

El equipo de investigación trabaja hoy en una nueva versión del parche para monitorear otros biomarcadores asociados con diversas enfermedades.

7.- .Séptimo artículo: Un chip sensor para detectar diversos biomarcadores de sepsis (Referencias 7.1. y 7.2.)

Frente a infecciones potencialmente graves es fundamental administrar rápidamente un antibiótico eficaz. Pero, a menudo, la medición de un solo biomarcador no permite un diagnóstico claro en el punto de atención. Es por ello que, durante décadas, se procuró disponer simultáneamente de diversos biomarcadores con alta especificidad y sensibilidad a los fines de diagnóstico.

Un equipo multidisciplinario del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de la Harvard University (EE.UU.) y la University of Bath (Reino Unido), desarrolló aun más la tecnología eRapid (de la que ya disponía Instituto) como una plataforma de sensores de diagnóstico electroquímico de bajo costo y basada en afinidad para la detección multiplexada de biomarcadores clínicamente relevantes en sangre total. El dispositivo, que utiliza un recubrimiento de superficie basado en nanocompuestos de óxido de grafeno (que previene la bioincrustación mientras se mantiene la electroconductividad), puede detectar simultáneamente -con precisión- tres biomarcadores diferentes de sepsis: procalcitonina (PCT), determinación de proteína C reactiva (PCR) y patrones moleculares asociados a patógenos.

Se trata de un paso importante para implementar, en entornos clínicos, una plataforma de sensores electroquímicos para la detección rápida y sensible de múltiples analitos en sangre humana completa. Exhibe, asimismo, un significativo potencial para probar una amplia gama de biomarcadores para diagnósticos clínicos en el punto de atención.