Merkoçi, A.

Revistes Catalanes amb Accés Obert

Nanotecnologia i diagnòstic in vitro 
 
 
 
 
Arben Merkoçi 
Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats (ICREA) 
Nanobioelectronics & Biosensors Group 
Institut Català de Nanotecnologia 
Campus de la Universitat Autònoma de Barcelona 
Bellaterra 
 
 
 
Nanotecnologia, nanobiotecnologia i nanodiagnòstic 
 
Nanotecnologia és la creació i utilització de materials, aparells, i sistemes a 
través del control de material en escala nanomètrica (1 nanometre = 10-9 
metres). Les diverses nanotecnologies i les seves aplicacions en ciències de la 
vida es descriuen en detall en diversos llibres i revistes, incloses les de 
divulgació, sota el nom de nanobiotecnologia [1, 2, 3]. 
 
Diagnòstica, lliurament de fàrmacs, desenvolupament de pròtesis i implants són 
tres àrees on la nanotecnologia s'està introduint al sector biomèdic. Els sensors 
per dur a terme el diagnòstic i les tècniques de "lab-on-a-chip" estan dissenyats 
per efectuar l'anàlisi de sang i d'altres mostres i per llur integració en 
instruments analítics amb interès per la recerca i el desenvolupament de nous 
fàrmacs entre altres camps. Respecte a productes i dispositius per a ús 
terapèutic dins el cos humà s'estan desenvolupant fàrmacs contra el càncer 
basats en nanotecnologia, com la implantació de bombes d'insulina i teràpia de 
gens. S'està treballant també per al desenvolupament de pròtesis i implants 
que contenen materials "nanoestructurats" amb propietats físiques i químiques 
millorades, a part d'una biocompatibilitat adequada.  
 
L'ús de nanobiotecnologia en el diagnòstic molecular s'anomena també 
diagnòstic nanomolecular i pot ser qualificat com a nanodiagnòstic. Diversos 
nanoaparells i nanosistemes ja són factibles per dur a terme la seqüenciació de 
DNA. Donada la mida nano dels receptors, els porus i altres components 
funcionals de les cèl·lules vives, el control detallat i l'anàlisi d'aquests 
components serà possible mitjançant el desenvolupament d'una nova classe de 
sondes a nanoescala. 
 
Com a conseqüència de la seva petita mida, gran part de les aplicacions de 
nanobiotecnologia en el diagnòstic molecular cauen sota la categoria de 
bioxips/microarrays, o més correctament qualificats com a nanoxips i 
nanoarrays. 
 
Nanotecnologia-en-un-xip és un descripció general que es pot aplicar a uns 
quants mètodes. Alguns de aquests no utilitzen nanotecnologies sinó que 
merament tenen la capacitat per analitzar nanolitres de líquids. 
 És difícil classificar una gamma tan àmplia de nanotecnologies però aquelles 
amb aplicacions potencials en el diagnòstic molecular es presenten en la Figura 
1. Les tecnologies de diagnòstic molecular s'utilitzen en la recerca biològica, 
detecció d'agents de bioterrorisme, diagnòstic clínic, descoberta i 
desenvolupament de fàrmacs, així com en el control de tractaments mèdics 
incloent-hi mètodes nous com teràpia de gens, estudis de RNA, etc. El 
diagnòstic molecular és una part essencial del desenvolupament de medicina 
personalitzada on alguns dels procediments de diagnòstic es realitzen prop del 
pacient (pel mateix pacient o en el despatx del metge de capçalera, per 
exemple).  
 
 
 
Figura 1. Interrelació entre diverses tecnologies que contribueixen al 
nanodiagnòstic clínic. Les mateixes tecnologies contribueixen en el 
desenvolupament de "nanomedicina" sota el concepte de medicina 
personalitzada. Adaptada de la referència [4]. 
 
 
Aquest article tracta de l'aplicació d'aquestes tecnologies dins el context d'un 
laboratori clínic. A continuació es presenten alguns camps d'interès per la 
diagnostica on les nanotecnologies i els nanomaterials estan aportant millores 
quant a la sensibilitat, selectivitat i temps de resposta, entre altres avantatges, 
en comparació amb les tecnologies actuals. Altres camps d'interès per al 
nanodiagnòstic com els sensors de mida nano o xips, representen altres 
alternatives però no seran objecte d'aquest article.  
 
 
Nanopartícules 
 
Les nanopartícules són partícules que tenen una dimensió fins a 100 
nanometres. Les propietats de molts materials convencionals canvien quan 
passen a nanopartícules. Això és típicament perquè les nanopartícules tenen 
una àrea de superfície més gran per pes que les partícules més grans; són per 
això més reactives que altres molècules i demostren una sèrie de propietats 
òptiques i electroquímiques que les fan atractives per una sèrie d'aplicacions en 
medicina, a part d'altres camps.  
 
La Figura 2a mostra l'escala de diversos materials i la posició de les 
nanopartícules dins d'aquesta varietat de mides. Les nanopartícules, de 
diverses composicions, mides i formes, es poden fer activar mitjançant 
protocols ja casi establerts. La Figura 2b mostra una nanopartícula amb el seu 
nucli envoltat d'una capa polimèrica sobre la qual es poden dur a terme 
diversos tipus de modificacions amb interès especial en diversos camps. El 
camp farmacèutic representa un dels més importants, on el desenvolupament 
de nous fàrmacs basats en noves estratègies de lliurament i alliberament de 
fàrmacs, gràcies a l'ús de nanopartícules i nanocàpsules, s'està duent a terme 
últimament [3]. A continuació es presenten dos altres camps emergents d'ús de 
nanopartícules en la "nanomedicina" actual: a) desenvolupament de noves 
estratègies per a l'obtenció d'imatges i b) la biodetecció en general, amb un 
enfocament al camp de biosensors, ambdues d'interès especial per al 
nanodiagnòstic.  
 
  
Figura 2. A) Escala de diversos materials i la posició de les nanopartícules dins 
aquesta varietat de mides. B) Nanopartícula amb el seu nucli (no a escala) 
envoltat d'una capa polimèrica sobre la qual es poden dur a terme diversos 
tipus de modificacions amb interès especial en diversos camps de les ciències 
de la salut. 
 
 
Detecció i quantificació de DNA i proteïnes 
 
Els punts quàntics són una classe especial de nanopartícules. Tenen espectres 
d'excitació amples, espectres d'emissió aguts, i propietats d'emissió fàcils de 
canviar, i a part del seu ús per obtenir imatges de cèl·lules, són també 
candidats potencials per reemplaçar els marcadors fluorescents convencionals 
en assajos de biodetecció.  
 
El primer exemple de punts quàntics modificats amb DNA implicava l'ús de 
partícules polimèriques. Utilitzant aquesta estratègia, Han et al. [5] van 
demostrar, com a prova de concepte, la possibilitat d'utilitzar els punts quàntics 
com a marcadors per la detecció de tipus multiplexing de DNA. (Figura 4). En 
aquest treball es marcava el DNA "diana" amb micropartícules polimèriques 
amb punts quàntics dissenyats per emetre a diverses longituds d'ona. Les 
micropartícules amb proporcions diferents de punts quàntics exhibeixen 
espectres de fluorescència diferents. Després de la captura del DNA "diana" 
prop de la micropartícula, i de la seva posterior connexió amb els punts 
quàntics, mitjançant mesures espectromètriques es revelen tant la presència 
com la quantitat del DNA "diana".  
 
 
 
Figura 3. Il·lustració esquemàtica de la codificació òptica utilitzant el 
multiplexing i fent servir la longitud d'ona i la intensitat de la fluorescència. A) 
Les esferes gran representen micropartícules polimèriques dins les quals hi ha 
els punts quàntics de diversos colors i amb una proporció determinada entre 
ells. Les superfícies de les esferes polimèriques estan modificades amb 
biomolècules (DNA, anticossos) que reconeixen les biomolècules 
complementaries (DNA, proteïnes) que s'han d'analitzar. B) Per fer les mesures 
s'utilitzen els valors absoluts d'intensitats de fluorescència en longituds d'ona 
diferents. S'han utilitzat 10 punts quàntics de sulfur de zinc coberts amb 
seleniur de cadmi, que s'exciten amb raigs UV. Adaptació de la referència 5. 
 
 
Les propietats electroquímiques dels punts quàntics fan que siguin fàcils de ser 
detectades utilitzant, a més, una instrumentació simple com la requerida per a 
l'anàlisi de redissolució electroquímica que permet el disseny de procediments 
amb una gran capacitat de detecció i, al mateix temps, una detecció simultània 
de diversos analits (DNA, proteïnes, cèl·lules) presents en la mateixa mostra. El 
nombre de "dianes" que es poden detectar simultàniament és controlat pel 
nombre dels marcadors (punts quàntics o altres nanopartícules) que són 
distingibles per l'anàlisi de redissolució electroquímica. A continuació es descriu 
un assaig d'hibridació basat en l'ús de tres punts quàntics (ZnS, CdS i PbS) [6]. 
Les sondes de DNA connectades amb punts quàntics representen pics de 
redissolució ben definits en els potencials: -1,12 V (Zn), -0,68 V (Cd) i -0,53 V 
(Pb) utilitzant un elèctrode de carboni vitrificat cobert d'una capa de mercuri 
(utilitzant l'elèctrode de referència d'Ag/AgCl) després de dissoldre les 
nanopartícules de metall mencionades (vegeu la Figura 5A).  
 
Altres estratègies, per a la detecció de DNA, es basen en l'ús de nanopartícules 
d'or. De manera semblant amb el cas anterior, es fan servir partícules 
magnètiques. La detecció de les nanopartícules d'or es fa directament sobre 
l'elèctrode gràcies a l'ús d'un imant petit, incorporat dins la superfície de 
l'elèctrode, fent possible l'acumulació de les partícules magnètiques amb les 
sondes de DNA de manera semblant amb el cas anterior però amb 
nanopartícules d'or utilitzades com a marcadors [7]. Aquesta estratègia s'ha fet 
servir també per la detecció de proteïnes [8] i últimament ha estat combinada 
amb una estratègia d'amplificació amb plata per disminuir els límits de detecció 
[9].  
 
  
Figura 4. Representacions esquemàtiques, no en escala, de: A) Detecció 
simultània de tres sondes de DNA relacionades amb el càncer de mama 
detectades simultàniament mitjançant l'ús de tres punts quàntics (QDs; ZnS, 
ZdS i PbS). Cada un dels punts quàntics té un potencial red-ox diferent i fa la 
detecció simultània en una sola mesura de corrents durant un escombrat de 
potencial. En aquest assaig s'utilitzen partícules magnètiques (PM) com a 
plataformes d'immobilització de les sondes de captura (DNA1) que s'hibriditzen 
amb el DNA analit. Posteriorment el conjugat PM/DNA1/DNA analit s'hibriditza 
amb el DNA2 connectat amb els QDs seguit d'una separació magnètica i la 
detecció electroquímica. Els pics de corrent es relacionen amb el DNA analit. El 
seu potencial indica el punt quàntic utilitzat i d'aquesta manera el tipus de 
DNA i l'altura del pic es relaciona amb la quantitat de les punts quàntics que 
és proporcional amb la quantitat de DNA analit. B) Principi d'un nou genosensor 
basat en l'ús de nanopartícules d'or. Es fa servir un nou material per al 
elèctrode que inclou un imant en el seu interior. Aquest magnetosensor atrau 
les partícules paramagnètiques amb el conjugat de DNA connectat amb les 
nanopartícules d'or. Desprès de la captura del conjugat es du a terme la 
voltametria de polsos diferencial de les nanopartícules d'or i el senyal obtingut 
es relaciona amb la quantitat del DNA "diana" present en la mostra. C) Un 
sistema de detecció basat en nanopartícules d'or i un magnetosensor 
(semblant al cas anterior de DNA, per la detecció de proteïnes). Es mostra una 
partícula magnètica modificada amb un anticòs en un sistema sandvitx amb la 
proteïna a detectar i un altre anticòs modificat amb nanopartícules d'or. 
Esquemes adaptats de les referències 6, 7 i 8 per cada exemple 
respectivament. 
 
 
Una altra estratègia per a la detecció de DNA es basa en l' ús de 
nanopartícules modificades amb seqüències de DNA utilitzades com a codi de 
barres ('codi-barra' en la Figura 5) per a la seva posterior utilització com a 
marcadors per la detecció de DNA. Aquesta estratègia d'amplificació s'ofereix 
com a nova alternativa a la reacció en cadena per la polimerasa [10]. Des que 
es va introduir en el 1985, la reacció en cadena per la polimerasa ha impactat 
significativament en la comunitat científica que la utilitza per a la detecció i 
quantificació de DNA en diverses aplicacions incloent la diagnòstica. Malgrat 
els seus avantatges, la reacció en cadena per la polimerasa ha estat sovint 
criticat pel consum de temps i el procediment relativament laboriós necessari 
per dur a terme l'anàlisi.  
 
En la tècnica proposta (vegeu la Figura 5) s'ha aconseguit una selectivitat i 
capacitat de detecció comparable a la reacció en cadena per la polimerasa 
sense la necessitat d'usar cap d'enzim i amb uns temps d'anàlisis de 3 a 4 
hores. Per a la detecció es fa servir la tècnica conductomètrica combinada amb 
una segona amplificació amb plata (deposició via reducció de plata sobre 
les nanopartícules d'or). 
 
 
 Figura 5. Esquema de la detecció de DNA mitjançant l'ús de nanopartícules 
d'or (AuNPs) modificades amb DNA 'codi-barra'. A) Es mostra la modificació de 
AuNPs amb les sondes DNA1 i DNA2 seguit de la modificació mitjançant 
hibridització amb les sondes DNA 'codi-barra'. Les micropartícules 
magnètiques (PM) es modifiquen amb la sonda DNA3. B) Es mostren dos 
passos de la detecció: 1: formació del sandvitx entre PM-DNA3 i 
AuNP/DNA1/DNA3/DNA 'codi-barra' i el DNA analit; 2: el sandvitx format es 
separa mitjançant l'aplicació d'un camp magnètic. S'aplica la deshibridització 
per lliurar el DNA 'codi-barra' que posteriorment es detecta fent servir un xip 
amb detecció conductomètrica i amplificació amb plata. Adaptació de les 
referències 10 i 11. 
 
 
Conclusions 
 
La nanotecnologia ofereix una sèrie de millores pels mètodes de diagnòstic 
convencional utilitzats als laboratoris clínics. La utilització de nanopartícules 
com a marcadors (com a alternativa a enzims, colorants, etc.) augmenta la 
capacitat de detecció i disminueix el temps d'anàlisi, fent possible el disseny de 
nous sistemes de biodetecció amb interès per al diagnòstic clínic. Els 
nanobiosistemes o nanobiosensors desenvolupats representen un camp 
d'interès per a l'anàlisi de DNA i proteïnes amb més capacitat de detecció i 
selectivitat. Els dispositius desenvolupats ofereixen més prestacions quant als 
camps d'aplicació, possibilitats de miniaturització, estabilitat i cost. Encara que 
la preparació d'un nanobiosensor ideal, que integra en un únic sistema totes les 
parts necessàries pel seu funcionament, encara no ha estat reportat, s'està fent 
un gran esforç per al desenvolupament d'una nova generació de biosensors 
que aprofita una sèrie d'avantatges que ofereixen els nanomaterials. El camp 
de l'ús de nanopartícules, com a marcadors de DNA o anticossos, és només 
una part d'aquestes aplicacions.  
 
 
Agraïments 
 
L'autor d'aquest article de revisió agraeix les ajudes de MEC (Madrid) 
Projectes: MAT2008-03079/NAN i MAT2005-03553 i Consolider-Ingenio 2010, 
Projecte CSD2006-00012 per la investigació duta a terme en el camp de 
nanobiosensors. Agraeix també tot els seus col·laboradors, professors i 
doctorands que han contribuït per dur a terme els treballs esmentats. 
 
 
Bibliografia 
1. Vo-Dinh T. Nanotechnology in biology and medicine. Methods, devices 
and applications. Boca Raton: CRC Press; 2007.  
2. Merkoçi A, dir. Biosensing using nanomaterials. New York: Wiley-
Interscience; 2009.  
3. Merkoçi A. Nanobiotechnology - drug delivery, imatging and 
nanobiosensors using nanomaterials. A: Puigdomènech P, Gòdia F, dir. 
Les biotecnologies. Treballs de la Societat Catalana de Biologia 2007; 
58:51-62.  
4. Jain KK. Applications of nanobiotechnology in clinical diagnostics, Clin 
Chem 2007;53:2002-9.  
5. Han M, Gao X, Su J.Z., Nie S. Quantum-dot-tagged microbeads for 
multiplexed optical coding of biomolecules, Nat Biotec 2001;19:631-5.  
6. Wang J, Liu G, Merkoçi A. Electrochemical coding technology for 
simultaneous detection of multiple DNA targets. JACS 2003;125:3214-
15.  
7. Pumera M, Castañeda M.T, Pividori M.I, Eritja R, Merkoçi A, Alegret S. 
Magnetically trigged direct electrochemical detection of DNA 
hybridization based Au67 quantum dot - DNA - paramagnetic bead 
conjugate. Langmuir 2005;21:9625-9.  
8. Ambrosi A, Castañeda M.T, Killard A.J, Smyth M.R, Alegret S, Merkoçi 
A. Double-codified gold nanolabels for enhanced immunoanalysis. Anal 
Chem 2007;79:5232-40.  
9. Escosura-Muñiz A, Maltez-da Costa M, Merkoçi A. Controlling the 
electrochemical deposition of silver onto gold nanoparticles: Reducing 
interferences and increasing the sensitivity of magnetoimmuno assays, 
Biosensors & Bioelectronics 2009; 24: 2475-82.  
10. Nam JM, Stoeva SI, Mirkin CA. Bio-bar-code-based DNA detection with 
PCR-like sensitivity. JACS 2004;126:5932-3.  
11. Rosi NL, Mirkin CA. Nanostructures in biodiagnostics. Chem Rev 
2005;105:1547-62.  
 
 
 
Citació recomanada per a aquest document:  
 
Merkoçi A. Nanotecnologia i diagnòstic in vitro. In vitro veritas 2009;10, art. 109: 
<www.acclc.cat/> 


Nanotecnologia i diagnòstic in vitro

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Revistes Catalanes amb Accés Obert