Dispositivos Lab-on-a-chip: un cambio de escala en el diagnóstico clínico.

¿Os imagináis la posibilidad de diagnosticar un cáncer de forma inmediata y no invasiva, a partir de una única gota de sangre, junto al médico de cabecera, como si de un test de glucosa se tratara? ¿O de detectar un agente infeccioso a distancia, en un lugar remoto y sin presencia de un especialista? ¿O de realizar análisis genéticos individualizados desde un teléfono móvil? Este es el camino que están tomando los dispositivos lab-on-a-chip (LOC), que abren vías revolucionarias al diagnóstico y la deslocalización y cambio de escala del laboratorio bioanalítico.

Un lab-on-a-chip (LOC) se define como un dispositivo miniaturizado capaz de llevar a cabo en un espacio de pocos milímetros a pocos centímetros todas las etapas del diagnóstico molecular (o también de síntesis química) que comúnmente se realizan en el laboratorio: preparación de la muestras, separación y concentración del marcador molecular, amplificación, transducción de señal para la detección del dato y análisis para procesar e interpretar la señal producida. Todo ello manipulando cantidades de fluido inferiores a los nanolitros y utilizando canales de tamaño por debajo de los centenares de micrómetros.

Su diseño es pues una mezcla multidisciplinar de ciencia y tecnología, incluyendo la microfluídica, la electrónica, la óptica y los biosensores. Y su motivación en el campo clínico diversa, desde la aceleración del diagnóstico precoz (y sin preparación de muestra), principalmente en patologías crónicas y/o mortales, hasta la automatización de métodos analíticos de screening (sin necesidad de manipulación previa de la muestra), si bien inicialmente se destinaron al estudio de la biología celular y a las reacciones bioquímicas a partir de éstas (PCR, electroforesis, etc.). (NOTA: el primer dispositivo lab-on-a-chip de ámbito general aparece en 1979 y corresponde a un cromatógrafo de gases, y no es hasta 1990 que aparece el primer cromatógrafo de líquidos miniaturizado). Actualmente, una gran cantidad de procesos de análisis clínico y de investigación han sido objeto de miniaturización en un LOC, y si bien estamos todavía lejos de la implementación masiva, encontramos ya dispositivos comercializados, mostrando algunos de ellos mejores rendimientos que su homólogo convencional.

¿Qué nos permiten hacer hoy en día los LOCs? Encontramos ejemplos claros en el ámbito de la química clínica, con un amplio abanico de análisis basados en técnicas de separación por cromatografía y detección por fotometría ultravioleta o espectrometría de masas, que nos permiten realizar análisis rutinarios de gases, electrolitos, glucosa y fármacos en sangre entre otros. En el ya mencionado campo de la biología molecular, en procesos de amplificación de ADN y ADR (procesos PCR), secuenciación de ADN o desarrollo de análisis inmunoquímicos (los dos últimos a velocidades claramente superiores a las técnicas convencionales) con aplicaciones en la detección de enfermedades de distinta índole. En el campo de la biología celular, con la identificación de células cancerígenas, la diferenciación de células madre o la citometría de flujo portable, con resultados óptimos gracias precisamente al reducido tamaño de los dispositivos, que trabajan justamente a la misma escala celular. En el ámbito de la proteómica, con la integración en un único dispositivo del tedioso proceso de extracción, separación, digestión y análisis de proteínas, reduciendo el tiempo total de análisis de horas –en un sistema macroscópico– a minutos –en un sistema LOC–. Hasta en el diseño de micro-órganos –órganos-on-a-chip– para replicar los aspectos fisiológicos del funcionamiento de ciertas enfermedades y facilitar así su investigación (como alternativa, por ejemplo, a la experimentación animal). Hermsen et al., 2013 (Lab-on-a-chip devices for clinical diagnostics. National Institute for Public Health and the Environment, The Netherlands), presentan un interesante y entendedor resumen de tecnologías LOC disponibles.

La miniaturización de estos procesos, en comparación con los equipos convencionales de laboratorio, tiene como grandes ventajas el consumo mínimo de reactivos (de micro a pico, nanolitros…) y el reducido tiempo de análisis (minutos frente a horas o días). Y, en parte asociado a ello, un menor coste, ya sea en términos del coste del propio dispositivo como el de los reactivos, la infraestructura o el conocimiento y formación del personal. Otras ventajas incluyen: la automatización (sample in – sample out), el aumento de productividad (la posibilidad de realizar procesos en paralelo), el aumento de la sensibilidad y especificidad, la capacidad de monitorización de células y/o reacciones químicas a tiempo real, la reducción de contaminaciones cruzadas, el menor consumo energético y la menor exposición del analista a muestras y reactivos.

El potencial de la microfluídica y los dispositivos LOC abre, en su aplicación, nuevos planteamientos al diagnóstico clínico y una posible traslocación (y socialización) del servicio de laboratorio central. Es de esperar que los LOC resulten en un aumento notable de sistemas de diagnóstico mínimamente invasivos, realizados a partir de gotas de sangre, sudor o saliva; en la implantación de sistemas de telemedicina para el monitoreo del paciente desde casa o la atención en zonas remotas o en países en desarrollo; y en el incremento de dispositivos point-of-care (POC) para el diagnóstico y la toma de decisiones durante la consulta. Complementariamente, puede modificar también el funcionamiento del laboratorio de investigación, permitiendo el uso de dispositivos bajo demanda, sin necesidad de (o con anterioridad a) grandes inversiones. El límite al cambio parece estar en manos de la imaginación y la creatividad de ideadores y desarrolladores.

Ahora bien, este desarrollo científico-tecnológico se encuentra todavía en fases incipientes de implementación, y debe hacer frente a ciertas limitaciones antes de considerar su amplio uso. Por un lado, el abanico de procesos de análisis e investigación de base todavía inexplorados que no permiten dar respuesta a todas las necesidades de diagnóstico. Por otro, la capacidad de industrialización, todavía muy limitada, que reduce no sólo las posibilidades de comercialización sino la viabilidad de algunas tecnologías. La necesidad, también, de mejora de resultados y la eliminación del ruido: si bien en algunos dispositivos se consigue mejorar el rendimiento en comparación a la tecnología convencional, en otros se está lejos de emularlos. Y, finalmente, la limitación de uso por necesidad de elementos externos en aquellos casos en que es necesario un control complementario de la fluídica y la electrónica, por lo que el coste en inversión y espacio aumenta. Fuera ya de cuestiones técnicas, debemos considerar también las posibles repercusiones éticas, administrativas y legales asociadas a un (mal) uso y socialización de estos dispositivos, como un potencial aumento del autodiagnóstico (y la automedicación) o una invasión de la privacidad (por ejemplo, por la facilidad de análisis a partir de una gota de saliva). Como en tantos otros avances biomédicos, es necesario el debate.

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