Científicos de IBM han desarrollado una nueva tecnología de “laboratorio en un chip” que puede, por primera vez, separar partículas biológicas a nanoescala y podría permitir a los médicos detectar enfermedades como el cáncer, antes de que aparezcan los síntomas.
Según lo informado hoy en la publicación Nature Nanotechnology*, los resultados del equipo de IBM muestran que es posible separar biopartículas sobre la base de su tamaño de hasta 20 nanómetros (nm) de diámetro, una escala que da acceso a partículas importantes, como ADN, virus y exosomas. Una vez separadas, estas partículas pueden ser analizadas potencialmente por médicos para revelar signos de enfermedad, incluso antes de que los pacientes experimenten los síntomas físicos, en una etapa en la cual el resultado del tratamiento puede ser más positivo. Hasta ahora, la biopartícula más pequeña que se podía separar por tamaño utilizando tecnologías en un chip era aproximadamente 50 veces más grande o incluso mayor, por ejemplo, que la separación de células tumorales circulantes, de otros componentes biológicos.
IBM está colaborando con un equipo de la Icahn School of Medicine en Mt. Sinai para continuar el desarrollo de esta tecnología lab-on-a-chip y planea probarla con el cáncer de próstata, el más común en hombres en Estados Unidos.
En la era de la medicina de precisión, los exosomas son considerados cada vez más como biomarcadores útiles para el diagnóstico y pronóstico de tumores malignos. Los exosomas son liberados en fluidos corporales fácilmente accesibles, como sangre, saliva u orina. Representan una herramienta biomédica valiosa, pues pueden usarse en el contexto de biopsias líquidas menos invasivas, para revelar el origen y tipo de cáncer.
El equipo de IBM apuntó a los exosomas con su dispositivo, pues es un desafío para las tecnologías existentes separar y purificar los exosomas en biopsias líquidas. Los exosomas varían en tamaño de 20 a 140 nm y contienen información sobre la salud de la célula que los origina, de la cual se desprenden. La determinación del tamaño, las proteínas en superficie y la carga de ácido nucleico de los exosomas puede dar información esencial sobre la presencia y el estado de un cáncer y otras enfermedades en evolución.
Los resultados de IBM muestran que sería posible separar y detectar partículas de 20 nm de partículas más pequeñas que los exosomas de 100 nm, y los tamaños mayores podrían ser separados de exosomas más pequeños, y que la separación puede tener lugar a pesar de la difusión, un rasgo distintivo de la dinámica de partículas en todas estas escalas pequeñas. Con Mt. Sinai, el equipo de IBM planea confirmar que su dispositivo es capaz de captar exosomas con biomarcadores específicos del cáncer en biopsias líquidas de pacientes.
“La capacidad de clasificar y enriquecer biomarcadores a nanoescala en tecnologías basadas sobre un chip abre la puerta a comprender enfermedades como el cáncer y virus como la gripe o el zika”, explicó Gustavo Stolovitzky, Director del Programa de Biología de Sistemas Traslacionales y Nanobiotecnología de IBM Research. “Nuestro dispositivo lab-on-a-chip podría ofrecer una opción simple, no invasiva y de costo accesible para potencialmente detectar y monitorear una enfermedad incluso en sus etapas más tempranas, mucho antes de que se manifiesten los síntomas físicos. Esta cantidad de tiempo extra permite a los médicos tomar decisiones más informadas y cuando el pronóstico para el tratamiento es más positivo”.
Con la capacidad de clasificar biopartículas a nanoescala, Mt. Sinai espera que la tecnología de IBM pueda proporcionar un nuevo método para inspeccionar los mensajes transportados por los exosomas en las comunicaciones entre células. Esto puede contribuir a responder grandes interrogantes sobre la biología de las enfermedades, además de allanar el camino para herramientas de diagnóstico en el punto de atención, no invasivas y potencialmente accesibles. Un seguimiento periódico de esta conversación intercelular podría permitir a los expertos médicos rastrear el estado de salud de una persona o el avance de una enfermedad.
“Cuando nos adelantamos a la enfermedad, en general podemos tratarla en forma satisfactoria, pero si la enfermedad se nos adelanta, el proceso suele ser mucho más difícil. Uno de los avances importantes que buscamos con esta colaboración es tener los fundamentos básicos para identificar marcas de exosomas que puedan estar ahí desde el principio, antes de que aparezcan los síntomas o de que empeore la enfermedad”, dijo el Dr. Carlos Cordon-Cardo, Profesor y Presidente del Departamento de Patología del Sistema de Salud Mt. Sinai.
“Combinando la especialización de Mt. Sinai en cáncer y patología con la experiencia en biotecnología de IBM y su más reciente tecnología de separación a nanoescala, esperamos buscar biomarcadores específicos y sensibles en exosomas que representen una nueva frontera para ofrecer pistas que puedan dar una respuesta a si una persona tiene cáncer o cómo tratarlo”.
Clasificación de biopartículas a nanoescala
Las tecnologías lab-on-a-chip se han convertido en una herramienta de diagnóstico increíblemente útil para los médicos, ya que pueden ser mucho más veloces, portables y fáciles de usar, y requieren menos volumen de muestra para ayudar a detectar enfermedades. El objetivo es reducir a un único chip de silicio todos los procesos necesarios para analizar una enfermedad, algo que normalmente se llevaría a cabo en un laboratorio de bioquímica completo.
Utilizando una tecnología denominada desplazamiento lateral determinista a nanoescala, o nano-DLD, los científicos de IBM Dr. Joshua Smith y Dr. Benjamin Wunsch lideraron el desarrollo de la tecnología lab-on-a-chip que permite que una muestra líquida pase, en un flujo continuo, a través de un chip de silicio que contiene un conjunto de pilares asimétricos. Este conjunto permite al sistema clasificar una cascada microscópica de nanopartículas, separando las partículas por tamaño hasta una resolución de decenas de nanómetros. IBM ya ha reducido el tamaño del chip a 2 cm por 2 cm, al tiempo que continúa el desarrollo para aumentar la densidad del dispositivo a fin de mejorar la funcionalidad y la productividad.
Del mismo modo que una carretera que pasa por un pequeño túnel solo permite el paso de los autos de menor tamaño y hace desviar por otro camino a los camiones grandes, nano-DLD usa un conjunto de pilares para repeler las partículas de mayor tamaño y permitir que pasen libremente las de menor dimensión por las aberturas del conjunto de pilares, separando eficazmente el “tráfico” de partículas por tamaño, sin distorsionar el flujo. Un dato interesante es que los científicos de IBM notaron que los conjuntos nano-DLD también pueden dividir una mezcla de muchos tamaños de partículas diferentes en una gama de flujos, del mismo modo que un prisma divide la luz blanca en distintos colores. Por su naturaleza de flujo continuo, esta tecnología elude el procesamiento por lotes del tipo “paradas y arranques” característico de las técnicas convencionales de separación.
Apalancando la vasta experiencia en semiconductores de IBM con sus crecientes capacidades en biología experimental, los científicos de IBM utilizaron procesos de silicio manufacturable para producir los conjuntos nano-DLD para su dispositivo lab-on-a-chip. Como parte de su estrategia continua, los investigadores de IBM están trabajando para aumentar la diversidad de las biopartículas que pueden ser separadas con su dispositivo, y mejorando la precisión y especificidad para aplicaciones clínicas en el mundo real.