Los microfluidos y la transformación del panorama del diagnóstico
Casi todas las industrias de hoy en día, en un momento u otro, se han adaptado al mercado para crear variaciones más rápidas, más pequeñas y menos costosas de su producto actual. Las ciencias de la vida no son una excepción, y la miniaturización de las tecnologías existentes se ha convertido en el nuevo estándar de oro para el cual las entidades corporativas, las instituciones de investigación y las empresas emergentes se esfuerzan por lograr. La pandemia de la COVID-19 ciertamente destacó las ventajas y las pruebas de diagnóstico rápido precisas.
Un equipo de científicos de la Universidad de Stanford desarrolló un “lab-on-a-chip” CRISPR para detectar la COVID-19. “El microlaboratorio es un chip de microfluidos de la mitad del tamaño de una tarjeta de crédito que contiene una compleja red de canales más pequeños que el ancho de un cabello humano”, según el autor principal del estudio, Juan G. Santiago, profesor de ingeniería mecánica de la Fundación Charles Lee Powell en Stanford.
Las tecnologías de microfluidos como esta pueden transformar el panorama del diagnóstico, y a medida que mejoran los métodos de ingeniería, la fabricación se vuelve más rápida y precisa. Un chip de microfluidos se puede fabricar con precisión submicrométrica, lo que hace que esta tecnología sea ideal para aplicaciones como análisis de ADN/ARN, cultivo celular, laboratorio en un chip u órgano en un chip, entre muchos otros.
Aplicaciones de Lab on a Chip (LOC)
Tecnologías como Drop-Seq, reacción en cadena de la polimerasa (PCR) o diagnósticos basados en CRISPR, han aprovechado las ventajas de los microfluidos para realizar procesos complejos con una sola gota de muestra. Esta plataforma se puede optimizar para combinar elementos funcionales como filtros de sangre, colectores de muestras, válvulas, canales, cámaras de reacción y bombas.
El “lab-on-a-chip” puede parecer ideal para cualquier aplicación, pero sus ventajas pueden convertirse en inconvenientes dependiendo del proceso. Manejar gotas de fluido del tamaño de un picolitro e intentar consolidar todo un proceso en un solo chip puede presentar una serie de desafíos. Es esencial considerar todos los aspectos de un ensayo, incluida la concentración de analito objetivo, la química y los parámetros del método.
Limitaciones de microfluidos
Es importante tener en cuenta que los productos químicos requeridos para un ensayo típico pueden afectar su capacidad para funcionar de manera óptima en un dispositivo de microfluidos. No solo ciertos solventes pueden deteriorar el material del chip, sino que otros pueden interferir con las reacciones necesarias. El silicio, por ejemplo, puede prevenir la PCR si no se trata, por lo que se debe agregar un paso de fabricación adicional para recubrir la superficie o se debe seleccionar un material alternativo.
Las químicas de los ensayos también pueden influir en el caudal o patrón en el dispositivo. A diferencia de los grandes volúmenes, la tensión superficial tiene un efecto significativo en los microfluidos, por lo que la inclusión de tensioactivos o alcoholes puede cambiar el rendimiento del microchip. Para aplicaciones como el análisis unicelular o la administración de medicamentos, considera siempre el impacto de este efecto en el volumen de caída, la velocidad y la reproducibilidad.
Drop-Seq se utiliza para analizar transcripciones de ARNm utilizando gotitas de líquido que contienen una sola célula, tampón de lisis y una microperla con cebadores con código de barras. Como alternativa al procesamiento y compartimentación de las células en una placa de 96 pocillos, este proceso combina varios pasos manuales en un solo dispositivo simple. El éxito de Drop-Seq depende de la producción reproducible de gotas de nanolitros. La presión en el sistema debe optimizarse ajustando la velocidad de la bomba que controla la velocidad de liberación de aceite, muestras y microperlas. En el sistema optimizado, el resultado final es una colección de gotas individuales que contienen una microperla y una célula.
El estado de la muestra
Además de las químicas requeridas para las reacciones, también es necesario considerar el estado de la muestra. En muchos casos, especialmente en ensayos clínicos, la muestra debe ser preprocesada y puede implicar filtrar, concentrar, lisar, calentar o enfriar. Los pequeños canales pueden obstruirse fácilmente por restos celulares o hemoglobina, por lo que algunas muestras deben filtrarse para garantizar resultados precisos. Alternativamente, las tecnologías, como los Wavechips sin obstrucciones, que están diseñados para tener en cuenta las impurezas en la muestra, pueden ayudar a evitar pasos de procesamiento adicionales.
Muchos ensayos clínicos necesitan detectar analitos de baja abundancia, como medicamentos o ácidos nucleicos, y solo pueden hacerlo si la muestra está concentrada o amplificada. Esto es común en la detección de ADN/ARN en muestras biológicas.
El sistema Accula todo en uno de Mesa Biotech es un ejemplo de una prueba rápida basada en PCR que proporciona resultados visuales en 30 minutos sin el uso de equipos grandes y costosos. El cartucho de prueba Accula contiene varios elementos calefactores, depósitos, canales de microfluidos y químicos de proceso para permitir la lisis celular, la transcriptasa inversa del ARN viral, la amplificación mediante PCR y, finalmente, la detección.
El sistema Accula y otras tecnologías basadas en PCR dependen de varias incubaciones o reacciones cronometradas para preparar la muestra para la detección, lo que puede complicar el proceso de miniaturización. Sin embargo, los microfluidos han permitido a los desarrolladores disminuir la cantidad de tiempo requerido para estas reacciones porque las longitudes de difusión cortas mejoran las interacciones entre los reactivos, y la alta relación superficie-volumen proporciona una transferencia de calor más eficiente y un menor tiempo de reacción.
Alternativamente, algunos sistemas, como la plataforma basada en CRISPR de Sherlock, han desarrollado una solución alternativa utilizando amplificación isotérmica en lugar de PCR. Este sistema no requiere calentamiento y enfriamiento para procesar la muestra porque las reacciones ocurren a una temperatura constante.
Aunque la pandemia de la COVID-19 puede haber puesto los dispositivos de diagnóstico en el análisis de diagnóstico inmediato en el centro de atención, estas tecnologías emergentes y los esfuerzos para miniaturizar los procesos han estado floreciendo durante años. Más organizaciones que nunca están encontrando formas novedosas de crear dispositivos de diagnóstico simples y fáciles de usar mediante la aplicación de microfluidos. Si bien ha habido avances significativos en el campo, solo hemos comenzado a arañar la superficie de cuán efectivas pueden ser estas tecnologías. Es vital entender cuándo y cómo utilizar mejor la miniaturización antes de seguir adelante, las ventajas, cuando se ejecuta correctamente, son numerosas.
Conclusión
Trabajar con una empresa puede ayudar a los investigadores a responder a las demandas del mercado de tecnologías de microfluidos más rápidas, más pequeñas y más asequibles, a medida que las opciones se expanden y se vuelven más eficientes.
