Un biosensor evalúa la mejor opción para tratar el párkinson y el alzhéimer

Mediante la combinación de múltiples tecnologías avanzadas en un único sistema, los investigadores de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL), en Suiza, han dado un importante paso adelante en el diagnóstico de enfermedades neurodegenerativas, como el párkinson y el alzhéimer (EA), al desarrollar un biosensor que detecta proteínas mal plegadas relacionadas con estas patologías.

Este novedoso dispositivo se conoce como sensor ImmunoSEIRA, una tecnología de biosensado que permite detectar e identificar biomarcadores de esas proteínas mal plegadas. La investigación, publicada en la revista 'Science Advances', también aprovecha el poder de la inteligencia artificial (IA) empleando redes neuronales para cuantificar los estadios y la progresión de la enfermedad.

Este avance tecnológico es prometedor no sólo para la detección precoz y el seguimiento de las enfermedades neurodegenerativas, sino también para evaluar las opciones de tratamiento en las distintas fases de progresión de la enfermedad.

El tratamiento de estas enfermedades se enfrenta a un reto importante debido a la falta de métodos de diagnóstico eficaces para la detección precoz y el seguimiento de la progresión de la enfermedad. El mal plegamiento de proteínas, un mecanismo común en la neurodegeneración, se ha identificado como un acontecimiento clave en la progresión de la enfermedad.

Los límites de la tecnología para los agregados proteicos

La hipótesis es que las proteínas sanas se pliegan mal, primero en oligómeros en las fases iniciales y en fibrillas en las fases posteriores de la enfermedad. Estos agregados proteicos mal plegados circulan por el cerebro y los biofluidos, y también se acumulan en forma de depósitos en el cerebro de los pacientes con enfermedades neurodegenerativas fallecidos.

Pero el desarrollo de herramientas para detectar estos signos reveladores de la enfermedad, conocidos como biomarcadores, ha sido difícil hasta ahora. Los obstáculos para una detección precisa son múltiples, entre ellos los límites de la tecnología actual para separar y cuantificar con precisión los distintos agregados proteicos.

Para crear este sensor avanzado de biomarcadores de enfermedades neurodegenerativas, los investigadores del Laboratorio de Sistemas Bionanofotónicos (BIOS) de la profesora Hatice Altug y del Laboratorio de Neurobiología Molecular y Neuroproteómica (LMNN) del profesor Hilal Lashuel han combinado múltiples campos de la ciencia: bioquímica de proteínas, optofluídica, nanotecnología e inteligencia artificial (IA).

"A diferencia de los enfoques bioquímicos actuales, que se basan en medir los niveles de estas moléculas, el nuestro se centra en detectar sus estructuras anómalas --explica--. Esta tecnología también nos permite diferenciar los niveles de las dos principales formas anormales implicadas en el desarrollo y la progresión de las enfermedades neurodegenerativas, los oligómeros y las fibrillas", afirma Lashuel.

La espectroscopia para detectar moléculas específicas

El sensor ImmunoSEIRA emplea una tecnología denominada espectroscopia de absorción infrarroja mejorada en superficie (SEIRA). Este método permite a los científicos detectar y analizar las formas de moléculas específicas asociadas a enfermedades, conocidas como biomarcadores, asociadas a enfermedades neurodegenerativas. El sensor está equipado con un inmunoensayo único, que actúa como un detective molecular, identificando y capturando estos biomarcadores con gran precisión.

"En nuestro artículo presentamos una solución tecnológica que integra nanoplasmónica, nanofabricación en sala blanca, microfluidos, inmunoensayo, IA y métodos bioquímicos avanzados --explica Deepthy Kavungal, estudiante de doctorado y autor principal del artículo--. Nuestro sensor ImmunoSEIRA exhibe sensibilidad estructural y la capacidad de monitorizar un panel de biomarcadores complementarios con alta especificidad a partir de pequeños volúmenes de muestra en biomatrices complejas".

El sensor ImmunoSEIRA incorpora matrices de nanorodos de oro con anticuerpos para la detección específica de proteínas. Permite la captura específica en tiempo real y el análisis estructural de biomarcadores diana a partir de muestras extremadamente pequeñas.

A continuación, se emplean redes neuronales, un subconjunto de algoritmos de IA, para identificar la presencia de formas específicas de proteínas mal plegadas, los agregados oligoméricos y fibrilares, logrando un nivel de precisión de detección sin precedentes a medida que avanzan las enfermedades.

ImmunoSEIRA y su uso en entornos clínicos reales

Lashuel cree que se trata de un avance significativo en la detección de enfermedades, y añade que, "dado que el proceso de la enfermedad está estrechamente asociado a cambios en la estructura de las proteínas, creemos que los biomarcadores estructurales, especialmente cuando se integran con otros biomarcadores bioquímicos y de neurodegeneración, podrían allanar el camino hacia un diagnóstico y un seguimiento más precisos de la progresión de la enfermedad".

El equipo de investigación de la EPFL dio un paso más para demostrar que el sensor ImmunoSEIRA puede utilizarse en entornos clínicos reales, es decir, en biofluidos. Fueron capaces de identificar con precisión la firma específica de fibrillas anormales, un indicador clave de enfermedades neurodegenerativas, incluso en fluidos complejos como el líquido cefalorraquídeo humano (LCR).

El profesor Altug explica que el siguiente paso con esta nueva tecnología "es seguir ampliando sus capacidades y evaluar su potencial diagnóstico en la enfermedad de Parkinson y en el creciente número de enfermedades causadas por el mal plegamiento y la agregación de proteínas."

Los resultados de este estudio marcan un avance significativo en los campos de la biodetección, la espectroscopia infrarroja, la nanofotónica y los biomarcadores de enfermedades neurodegenerativas. El despliegue del sensor ImmunoSEIRA asistido por IA es un avance bienvenido para la detección precoz de enfermedades neurodegenerativas, el seguimiento de la enfermedad y la evaluación de la eficacia de los fármacos, abordando la necesidad crítica de intervención y tratamiento oportunos de las enfermedades neurodegenerativas.