El sensor implantable basado en nanopartículas de oro revoluciona el diagnóstico médico



La idea de sensores implantables que transmitan continuamente información sobre valores vitales y concentraciones de sustancias o fármacos en el cuerpo ha fascinado a médicos y científicos durante mucho tiempo. Dichos sensores permiten el seguimiento constante de la progresión de la enfermedad y el éxito terapéutico. Sin embargo, hasta ahora los sensores implantables no han sido adecuados para permanecer en el cuerpo de forma permanente, sino que han tenido que ser reemplazados después de unos días o semanas. Por un lado, está el problema del rechazo del implante porque el cuerpo reconoce el sensor como un objeto extraño. Por otro lado, el color del sensor que indica cambios de concentración ha sido inestable hasta ahora y se desvaneció con el tiempo.

Los científicos de la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz (JGU) han desarrollado un nuevo tipo de sensor implantable que se puede operar en el cuerpo durante varios meses. El sensor se basa en nanopartículas de oro de color estable que se modifican con receptores para moléculas específicas. Incrustado en un tejido polimérico artificial, el nano oro se implanta debajo de la piel donde informa cambios en las concentraciones del fármaco al cambiar su color.

El implante informa la información como un “tatuaje invisible”

El grupo de investigación del profesor Carsten Sönnichsen en JGU ha estado utilizando nanopartículas de oro como sensores para detectar pequeñas cantidades de proteínas en células de flujo microscópicas durante muchos años. Las nanopartículas de oro actúan como pequeñas antenas para la luz: la absorben y dispersan fuertemente y, por lo tanto, tienen un aspecto colorido. Reaccionan a las alteraciones en su entorno cambiando de color. El equipo de Sönnichsen ha aprovechado este concepto para la detección médica implantada.

Para evitar que las pequeñas partículas se alejen nadando o sean degradadas por las células inmunes, están incrustadas en un hidrogel poroso con una consistencia similar a un tejido. Una vez implantado debajo de la piel, pequeños vasos sanguíneos y células crecen en los poros. El sensor está integrado en el tejido y no se rechaza como cuerpo extraño.

Nuestro sensor es como un tatuaje invisible, no mucho más grande que un centavo y más delgado que un milímetro “.

Profesor Carsten Sönnichsen, Jefe del Grupo de Nanobiotecnología en JGU

Dado que las nanopartículas de oro son infrarrojas, no son visibles a simple vista. Sin embargo, un tipo especial de dispositivo de medición puede detectar su color de forma no invasiva a través de la piel.

En su estudio publicado en Nano letras, los investigadores de JGU implantaron sus sensores de nanopartículas de oro debajo de la piel de ratas sin pelo. Los cambios de color en estos sensores se controlaron después de la administración de varias dosis de un antibiótico. Las moléculas de fármaco se transportan al sensor a través del torrente sanguíneo. Al unirse a receptores específicos en la superficie de las nanopartículas de oro, inducen un cambio de color que depende de la concentración del fármaco. Gracias a las nanopartículas de oro de color estable y al hidrogel integrador de tejidos, se descubrió que el sensor permanece estable mecánica y ópticamente durante varios meses.

Gran potencial de las nanopartículas de oro como sensores médicos implantables de larga duración

“Estamos acostumbrados a que los objetos coloreados se decoloren con el tiempo. Las nanopartículas de oro, sin embargo, no se decoloran, sino que mantienen su color de forma permanente. Como pueden recubrirse fácilmente con varios receptores diferentes, son una plataforma ideal para sensores implantables”, explicó la Dra. Katharina. Kaefer, primer autor del estudio.

El concepto novedoso es generalizable y tiene el potencial de extender la vida útil de los sensores implantables. En el futuro, los sensores implantables basados ​​en nanopartículas de oro podrían usarse para observar concentraciones de diferentes biomarcadores o fármacos en el cuerpo simultáneamente. Dichos sensores podrían encontrar aplicación en el desarrollo de fármacos, la investigación médica o la medicina personalizada, como el tratamiento de enfermedades crónicas.

El trabajo en equipo interdisciplinario trajo éxito

Sönnichsen tuvo la idea de usar nanopartículas de oro como sensores implantados ya en 2004 cuando comenzó su investigación en química biofísica como profesor junior en Mainz. Sin embargo, el proyecto no se realizó hasta diez años después en cooperación con el Dr. Thies Schroeder y la Dra. Katharina Kaefer, ambos científicos de JGU. Schroeder tenía experiencia en investigación biológica y ciencia de animales de laboratorio y ya había completado varios años de trabajo de investigación en los EE. UU.

Kaefer estaba buscando un tema interesante para su doctorado y estaba particularmente interesada en la naturaleza compleja e interdisciplinaria del proyecto. Los resultados iniciales llevaron a un estipendio otorgado a Kaefer por el Max Planck Graduate Center (MPGC), así como al apoyo financiero de Stiftung Rheinland-Pfalz für Innovation. “Un proyecto de este tipo requiere muchas personas con diferentes antecedentes científicos. Paso a paso pudimos convencer a más y más personas de nuestra idea”, dijo Sönnichsen con alegría. En última instancia, fue el trabajo en equipo interdisciplinario lo que dio como resultado el desarrollo exitoso del primer sensor funcional implantado con nanopartículas de oro.

Fuente:

Referencia de la revista:

Kaefer, K., et al. (2021) Sensores implantables basados ​​en nanopartículas de oro para el control continuo de la concentración a largo plazo en el cuerpo. Nano Letras. doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c00887.

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