La detección rápida, accesible y altamente precisa de sustancias adictivas como los opiáceos y la cocaína es vital para reducir los impactos personales y sociales adversos de la adicción, algo que los sistemas actuales de detección de drogas pueden tardar demasiado en proporcionar. Sin embargo, la monitorización in situ y en tiempo real de las drogas de abuso en el sistema de un paciente podría alertar a los médicos antes de que se alcancen niveles peligrosos, y tal enfoque puede no estar muy lejos.
Los métodos de detección de drogas para pacientes con adicciones son lentos y no lo suficientemente ágiles debido a la complejidad del sistema actual, según Slava V. Rotkin, profesor de Frontier de Ciencias de la Ingeniería y Mecánica con un nombramiento en el Instituto de Investigación de Materiales, en Penn State. Rotkin es coautor de un artículo de revisión en la revista de nanotecnología Small que planteó una posible solución: biosensores.
El primer objetivo de nuestro artículo de revisión es llamar la atención sobre el problema para que alguien que trabaje en la prevención de drogas pueda acceder a cientos de referencias. El segundo objetivo es que, dado que los artículos de revisión suelen leerse con más frecuencia que el artículo original, esperamos poder llegar a una audiencia más amplia de investigadores y público en general a través de la atención de los medios. Y presentamos los biosensores como una posible solución».
Slava V. Rotkin, Profesor Frontier de Ciencias de la Ingeniería y Mecánica, Instituto de Investigación de Materiales de Penn State
Las estadísticas demuestran la importancia médica de una detección de drogas mejorada y más rápida en el cuerpo humano. Según los CDC, las muertes por sobredosis de drogas aumentaron un 137 % en el período entre 2000 y 2014, incluido un aumento del 200 % en las muertes por sobredosis de opioides, como los analgésicos opioides y la heroína.
Una de las herramientas clave para combatir esta epidemia de adicción es la detección de drogas en los usuarios, dijeron los investigadores. El método clásico de laboratorio para monitorear la presencia de drogas en la sangre o la orina de los pacientes, que va desde simples pruebas químicas de color como la cromatografía de capa fina hasta métodos más complejos como la cromatografía de gases y la espectrometría de masas, son confiables y precisos. Sin embargo, requieren que las muestras se envíen fuera del sitio, lo cual es un proceso costoso y que requiere mucho tiempo. Un método rápido, menos costoso y más constante para monitorear el posible uso de drogas podría alertar a los médicos antes de que sus pacientes sufran una sobredosis.
«Si el análisis es muy costoso, entonces limitará la frecuencia con la que realiza el análisis», dijo Rotkin. “Tiene que ser barato, efectivo y simple. Lo más simple posible, porque necesitas tomar la muestra de sangre del paciente, y luego debes limpiar la sangre, preparar las muestras y tomar una hora del tiempo de un especialista en un lugar remoto. laboratorio. Esto puede costar mucho dinero y, por lo tanto, no se sometería a un análisis regular a menos que sea muy, muy necesario. Pero para la adicción, debe hacerlo con más frecuencia, solo porque el problema es muy agudo».
En el documento de revisión, el equipo internacional de investigadores, incluido Rotkin, enumeró 203 referencias a una gran cantidad de documentos de investigación que indican que los biosensores tienen un gran potencial para enfrentar estos desafíos. Los biosensores podrían potencialmente resolver este problema al proporcionar un análisis continuo de alta sensibilidad y bajo costo de un paciente. Un dispositivo biosensor incluye un pequeño sensor que se expone a un material biológico y produce una señal química, óptica o eléctrica en respuesta a un bioestímulo. El diseño de estos biosensores ha evolucionado significativamente en las últimas dos décadas y han aparecido en el mercado en forma de sensores de glucosa de venta libre para pacientes diabéticos y pruebas de embarazo caseras. Sin embargo, para el tipo de sensores necesarios para la detección de drogas, Rotkin y sus coautores señalan que existe un problema: el tamaño.
«Según lo que tenemos actualmente en biosensores, somos como a principios de la década de 1990 con los teléfonos celulares», dijo Rotkin. «Estábamos usando estos enormes teléfonos móviles que serían del tamaño de un teléfono fijo normal en ese momento, y necesitabas una bolsa para llevarlos».
El uso de nanomateriales es prometedor y podría habilitar potencialmente un biosensor para la detección de opiáceos y cocaína que sería lo suficientemente pequeño como para incluirlo en un vendaje. Los nanomateriales proporcionarían una plataforma para los biorreceptores y proporcionarían una «nanoarquitectura» sobre la que construir dispositivos de detección de gran sensibilidad, rapidez y tamaño reducido.
El artículo de revisión propuso sensores basados en aptámeros para la detección de drogas. Los aptámeros son secuencias cortas de ARN, ADN o péptidos. Las moléculas de aptámero se pueden diseñar específicamente como elementos de reconocimiento para biosensores. Propiedades como un tamaño muy pequeño, un proceso de producción rápido y de bajo costo, biocompatibilidad y alta estabilidad los hacen ideales para un biosensor de este tipo.
«En el documento, describimos todas las tecnologías existentes y sopesamos los pros y los contras», dijo Rotkin. «Esto incluye la gran cantidad de sensores que existen actualmente basados en la detección electroquímica, que son extremadamente simples y baratos. Pero debido a su robustez, lo que significa que puede detectar cualquier cosa, entonces la pregunta es si puede ser selectivo y hacer que se centre específicamente en lo que quieres detectar Aquí los aptámeros, que están diseñados para ser selectivos, son para ayudar «.
Entre las otras tecnologías que examinaron se incluye la detección óptica, que funciona en base a la alteración de las propiedades ópticas por un estímulo que genera una señal proporcional a la concentración de una sustancia o sus «huellas dactilares» ópticas. Rotkin colabora con los investigadores de la Universidad de Carolina del Norte-Greensboro en este tipo de dispositivos que utilizan heteroestructuras de materiales 2D.
Los sensores adicionales que revisaron incluyeron sensores de microfluidos, que solo requieren un pequeño volumen de muestras para el análisis; sensores piezoeléctricos, que responden a la tensión mecánica aplicada; y sensores electromecánicos, que son atractivos para los investigadores porque son flexibles y pueden detectar compuestos y partículas de tamaño micro.
Los autores del artículo de revisión concluyeron que los principales obstáculos a superar para crear biosensores tan pequeños y portátiles para pacientes con adicciones incluyen la necesidad de mejorar la reproductividad de los biosensores, especialmente cuando se analizan medios de muestra complejos, y la capacidad de producir un sensor que no no requieren el pretratamiento de las muestras para analizarlas. Además, los autores concluyeron que se necesita más financiación para desarrollar biosensores comercializables a bajo precio y con los parámetros analíticos correctos.
«Se necesita una cantidad adecuada de fondos para que este biosensor comercializable suceda», dijo Rotkin. «Y eso siempre es un desafío. Entonces, mis compañeros autores y yo esperamos que tal vez cuando las personas vean esta revisión, les permita, en un artículo, ver lo que la gente ha hecho. Tal vez puedan seguir adelante con uno de los sensores investigados. tipos y seguir adelante hasta obtener el producto real».
«Esto no es algo que todos puedan hacer en su propio laboratorio, por lo que llevaría un tiempo crear un producto terminado», dijo Rotkin. «Y luego se necesita la aprobación de la FDA, lo que lleva un año más o menos, y luego hay que fabricarlo. Calculo que todo el ciclo puede tardar hasta 10 años. Tal vez se pueda desarrollar y comercializar a través de una empresa derivada». creado en la Universidad, y resulta que tenemos una incubadora aquí mismo -; Invent Penn State».
