El uso de la nanotecnología en el monitoreo y detección de altos niveles de glucosa en fluidos corporales en pacientes con Diabetes Mellitus

 Por: Dra. Mayeli Estrada, Investigador Cátedras CONACyT asignada al Centro de Investigación en Química Aplicada, Campus Monterrey

Mas de 220 millones de personas alrededor del mundo sufren de diabetes que es una enfermedad que provoca desórdenes metabólicos. Una de las formas de detectar niveles de glucosa elevada es la prueba de glucosa en la orina, sin embargo, esta prueba no es tan exacta como la prueba de glucosa en la sangre. Normalmente, el organismo elimina la glucosa a través de la orina solo cuando las concentraciones de glucosa en sangre son muy altas (como lo es en una diabetes mellitus no controlada). Actualmente, la prueba de glucosa en orina se realiza cuando la prueba de glucosa en sangre está por encima de 180 mg/dL que es la concentración mínima que se puede detectar. Generalmente esto se realiza en un laboratorio de manera ambulatoria. Sin embargo, a algunas personas no se les puede extraer sangre porque tienen las venas demasiado pequeñas o cicatrizadas por punciones repetidas. Otras personas evitan las pruebas de sangre porque las agujas les provocan demasiada ansiedad o miedo [1].

En la carrera por generar dispositivos de detección de glucosa no invasivos, se pretende encontrar áreas de oportunidad para la detección y monitoreo de glucosa en líquidos corporales como la orina y sudor de pacientes prediabéticos y diabéticos, mejorando la calidad de vida de estos.

Así pues han surgido técnicas de fabricación de materiales que nos ayudan en el desarrollo de dispositivos para detección de moléculas tal como la glucosa. Una de ellas es el desarrollo de nanofibras por la técnica de electrohilado que ha surgido como una tecnología que ofrece producir fibras en diferentes configuraciones y diámetros en la escala nanométrica, empleando una amplia gama de polímeros; es uno de los mejores métodos para preparar esteras no tejidas de fibras ultrafinas continuas con un intervalo de diámetro de 50 nanómetros hasta 10 micras. A diferencia de otros métodos de preparación de nanofibras, el electrohilado combina mayor simplicidad, versatilidad y bajo costo comparado con otros procesos, pues presentan una capacidad superior para construir ensambles nanofibrosos ordenados [2] (figura1). El diámetro de las fibras obtenidas por electrohilado y su relación superficie/volumen extremadamente alto las hacen muy atractivas para una amplia variedad de aplicaciones, como en la administración de medicamentos, ingeniería de tejidos, filtración, sistemas de aprovechamiento de energía, electrónica, entre otros. Además, recientemente se ha explorado una nueva serie de sensores físicos y químicos obtenidos por electrohilado y se han utilizado también para la inmovilización y estabilización de enzimas [3].

Figura 1. A) Proceso simplificado de la técnica de electrohilado. B) Nanofibras

de polímero

La detección de glucosa por medios electroquímicos es de vital importancia en el diagnóstico y tratamiento de la diabetes mellitus, así como en el monitoreo y control de los procesos de preparación de alimentos. [4]. Los sensores electroquímicos tradicionales para la detección de glucosa se basan en la enzima glucosa oxidasa (GLOx). Debido a la especificidad de la enzima, estos sensores tienen una alta selectividad y sensibilidad. Sin embargo, la actividad de GLOx puede verse afectada fácilmente por la temperatura, el pH y otras sustancias químicas, lo que puede causar una baja estabilidad intrínseca de GLOx y afectar el rendimiento del biosensor [5]. Recientemente, se ha encontrado que el diseño y desarrollo de sensores de glucosa no enzimáticos basados en la oxidación directa de glucosa en la superficie del electrodo modificado es una investigación interesante en la fabricación de nuevos biosensores. Los sensores de glucosa no enzimáticos pueden exhibir ventajas para evitar los inconvenientes del electrodo enzimático. Recientemente, el interés en un sensor de glucosa no enzimático práctico se ha centrado en los esfuerzos para encontrar un catalizador electroquímico apropiado con actividad altamente electrocatalítica, que es el factor importante que afecta tanto la sensibilidad como la selectividad de la detección de glucosa. En ello, diferentes nanopartículas metálicas (Pd, Au, Pt, Cu, Ni), o bien (Pd–Ni, Au–Pd, Pt–Au, Pt–Pb, Cu–Co) así como óxidos metálicos(CuO, Co3O4, NiO) se han utilizado como materiales de electrodo para electrocatalizar directamente la glucosa; otras nanopartículas carbonosas como el óxido de grafeno (GO) también han sido exploradas para este mismo fin [6-7].

Inspirado en las propiedades del GO las nanopartículas metálicas y la obtención de nanofibras de ciertos polímeros conductores, en CIQA hemos propuesto desarrollar un electrodo de carbón vítreo recubierto con fibras de polímero cargadas con híbridos de GO-Metal Nps para mejorar la conductividad del material como se ve ejemplificado en la Figura 2

Figura 2. Esquema ilustrativo del electrodo de trabajo modificado para la medición

de glucosa

En general asociación del híbrido con las nanofibras resulta en nanocompuestos con propiedades eléctricas, para aplicaciones atractivas en el campo de sensores y biosensores. Entre las diferentes formas de producir estos sensores (casting o grafting del híbrido sobre la superficie del electrodo de trabajo), el electrohilado es el método más simple, económico y rápido.

Las formas más comunes de modificar electrodos de trabajo se basan en métodos electroquímicos o bien baños químicos con materiales poliméricos, metálicos o cerámicos o mezclas de ellos, obteniendo superficies que si bien tienen cierta porosidad-rugosidad, también presentan morfologías de mediana o baja área superficial. Los materiales hechos a base de nanofibras han demostrado ser adecuados en aplicaciones que requieren gran área superficial activa y baja distribución en el tamaño de poro, lo que puede proveer de mediciones más específicas y precisas, permitiendo el paso del analito a través de sus poros y la sucesiva la interacción con cada una de las fibras. Aunque por sí solas (dependiendo del tipo de polímero) pueden ser sensibles estímulos eléctricos de analitos en soluciones electroquímicas, el dopaje de estas con ciertos metales las vuelve aún más sensibles [8].

Así pues, las nuevas tendencias de la nanotecnología se ven aplicadas en un sector en el que gran parte de la población mexicana se ve afectada, sin embargo se pretende que el desarrollo de esta tecnología coadyuve en el monitoreo y control de las personas afectadas mejorando su calidad de vida.

• [1] Wang, J. Electrochemical Glucose Biosensors,2008. Chemical Reviews 108,814–825.
• [2] F.E. Ahmed, B.S. Lalia, R. Hashaikeh, A review on electrospinning for membrane fabrication: challenges and applications(2015), Desalination 356 15–30.
• [3] Z.-G. Wang, L.-S. Wan, Z.-M. Liu, X.-J. Huang, Z.-K. Xu, Enzyme immobilization on electrospun polymer nanofibers: an overview (2009), J. Mol. Catal. B: Enzym. 56 189–195.
• [4] A. Heller, B. Feldman, Electrochemical glucose sensors and their applicationsin diabetes management, (2008) Chem. Rev. 108 2482–2505.
• [5] S. Fang, L. Li, P. Liu, Y.F. Lian, Nonenzymatic electrochemical glucose sensorbased on novel copper film, (2011) Electroanalysis 23 395–401.
• [6] H. Nie, Z. Yao, X. Zhou, Z. Yang, S. Huang, Nonenzymatic electrochemicaldetection of glucose using well-distributed nickel nanoparticles on straightmulti-walled carbon nanotubes, (2011) Biosens. Bioelectron. 30 28–34.
• [7] H.Y. Huang, P.Y. Chen, PdNi- and Pd-coated electrodes prepared by electrode-position from ionic liquid for nonenzymatic electrochemical determination ofethanol and glucose in alkaline media, (2010) Talanta 83 379–385.
• [8] A. Macagnano, F. De Cesare, Electrospinning: A versatile technology to design biosensors and sensors for diagnostics, Editor(s): Tamer Uyar, Erich Kny, iElectrospun Materials for Tissue Engineering and Biomedical Applications, Woodhead Publishing, 2017, Pages 385-417.