Diagnóstico en el punto de atención para varias enfermedades simultáneamente mediante fotónica

Chip fotónico con cuatro microresonadores en forma de botella © Fraunhofer IZM / Chip fotónico con cuatro microresonadores en forma de botella © Fraunhofer IZM

Cartucho optofluídico para la detección de citoquinas © Fraunhofer IZM | Volker Mai / Cartucho optofluídico para la detección de citoquinas © Fraunhofer IZM | Volker Mai

Forman parte de nuestra vida cotidiana y, al menos desde el inicio de la pandemia de COVID-19, también son conocidos por un público no especializado: pruebas PCR u otras pruebas de antígenos. Como conclusión de un proyecto de investigación transnacional, el consorcio dirigido por el Fraunhofer IZM anuncia ahora que una plataforma fotónica de punto de atención precisa introduce la nueva generación de sistemas de diagnóstico. La pieza central de la plataforma es un dispositivo de lectura automática basado en microestructuras de fibras ópticas, que garantizan mediciones de alta precisión y al mismo tiempo pueden analizar hasta seis sensores fotónicos. Enfermedades como la tuberculosis y la fiebre Q pueden así ser detectadas y tratadas tempranamente en el futuro.

La pandemia de COVID-19 ha demostrado una vez más la importancia de un diagnóstico rápido, asequible y escalable de enfermedades infecciosas. Tanto en enfermedades novedosas como en aquellas que se analizan y tratan desde hace décadas, la falta de instrumentos de diagnóstico efectivos y de detección temprana provoca cada año millones de muertes evitables. A diferencia de otras tecnologías de diagnóstico, que están limitadas en su fiabilidad, tamaño o asequibilidad, las plataformas de sensores fotónicos revolucionan los métodos de diagnóstico en el punto de atención, permitiendo una alta sensibilidad, compacidad y capacidades de multiplexación para la detección rápida y fiable de enfermedades infecciosas.

En el proyecto PoC-BoSens, coordinado por el Fraunhofer IZM, un consorcio internacional de los campos de investigación en fotónica, microfluídica, bioquímica, electrónica y biomedicina se unió para desarrollar un sistema de diagnóstico óptofluídico cercano al paciente para muestras celulares, que permite la determinación cuantitativa de diferentes biomarcadores para varias enfermedades infecciosas en menos de 15 minutos. La coordinadora del proyecto, la Dra. Alethea Vanessa Zamora Gómez del Instituto Fraunhofer para la Fiabilidad y Microintegración IZM, puede confirmar con éxito: «Hemos alcanzado nuestros objetivos del proyecto y, en un proyecto de seguimiento ya confirmado, podemos realizar la integración final de los componentes prototipo y su calificación con los socios del proyecto. Los siguientes pasos en el camino hacia la comercialización de la plataforma incluyen la escalabilidad de la cartucho optofluídico y la unidad de lectura, la verificación clínica y la validación para la marca CE.»

La tecnología detrás de la innovadora plataforma PoC-BoSens consiste en una combinación inédita de resonadores microresonadores de botella fotónicos de fibras de vidrio y un sistema microfluídico para el transporte de las muestras de prueba. Los resonadores microbotella pertenecen a una clase de estructuras fotónicas que se distinguen por una sensibilidad excelente y una compacidad muy alta, lo que los hace muy adecuados para una detección multiplexada y rápida de moléculas objetivo en aplicaciones como el punto de atención. Sin embargo, soluciones de integración anteriores no estaban disponibles ni para estos resonadores de botella ni para otros microresonadores ópticos tridimensionales, lo que había impedido su uso hasta ahora.

Precisamente aquí interviene el equipo de Zamora Gómez en el Fraunhofer IZM: el primer prototipo de biosensor demuestra con éxito la integración de un cartucho de chip práctico basado en cuatro microresonadores de botella. Con la ayuda de herramientas semiautomáticas en los laboratorios del Fraunhofer IZM, estas microestructuras se incorporaron en un chip fotónico con una precisión superior a un micrómetro. En un segundo paso, el chip fotónico híbrido se conectó a un chip microfluídico. Una configuración optofluídica así es ideal para una detección multicanal de moléculas objetivo. Un proceso completo de integración de un array de microbotellas en un chip nunca se ha llevado a cabo debido a su complejidad. El equipo del proyecto en el Fraunhofer IZM asumió este riesgo: el chip ensamblado ahora puede combinarse con el sistema de lectura para analizar citoquinas como moléculas objetivo en la plataforma PoC-BoSens. Las citoquinas constituyen un grupo diverso de proteínas que desempeñan un papel importante tanto en los patógenos de la tuberculosis y la fiebre Q como en el sistema inmunológico. Así, regulan y coordinan la defensa contra los patógenos y son responsables en parte de que una respuesta inmunitaria tenga éxito. Otras aplicaciones podrían incluir la detección de anticuerpos relevantes en enfermedades como la celiaquía y otras, donde las pruebas rápidas de diagnóstico y monitoreo son imprescindibles.

Un consorcio multidisciplinario altamente cualificado continúa trabajando en los resultados del proyecto para ofrecer avances adicionales en el diagnóstico. Los socios involucrados de cuatro países diferentes provienen del ámbito académico y de la industria: Fraunhofer IZM (DE), Instituto Austriaco de Tecnología (AT), Scuola Superiore Sant'Anna (IT), MDX Devices GmbH (DE), ifU Diagnostic Systems GmbH (DE), Diarect AG (DE), SCIENION GmbH (DE), Syel S.R.L. (IT) y Unitive Design & Analysis Ltd (UK). El Ministerio Federal de Educación e Investigación financió el proyecto PoC-BoSens en el marco de la iniciativa de financiación transnacional «Photonics Based Sensing ERA-NET Cofund (PhotonicSensing)». La duración del proyecto fue del 1 de abril de 2018 al 31 de diciembre de 2021, con un volumen de aproximadamente 2,4 millones de euros.