Tecnología de silicio en la lucha contra la Covid-19

Hace apenas dos meses, empezaron a salir de la Sala Blanca del Instituto de Microeléctronica de Barcelona (IMB-CNM-CSIC), las primeras obleas con prototipos de un sensor fotónico para la detección del SARS-CoV-2. Eran dispositivos destinados al proyecto europeo CONVAT, dirigido y coordinado por la profesora Laura M. Lechuga, investigadora del CSIC en el Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2). El IMB-CNM forma parte de este proyecto, asociado como Third Party al ICN2, para desarrollar y fabricar los dispositivos fotónicos.

CONVAT

El objetivo de CONVAT es crear un nuevo biosensor fotónico que permita detectar el coronavirus SARS-CoV-2 en 30 minutos. La intención es que la prueba pueda realizarse directamente con la muestra del paciente sin la necesidad de trasladarla a laboratorios clínicos centralizados.

En los dispositivos fotónicos, la luz se confina en una estructura de forma que cualquier interacción del medio con esta estructura produce cambios en las características de propagación de la luz confinada. Carlos Domínguez, investigador del CSIC y codirector del Grupo de Transductores Químicos, explica que se puede comparar con fibras ópticas planas a través de las cuales se mueve la luz. “Cuando varía alguna de las características del medio, las propiedades de la luz cambian. Esa variación es lo que usamos para medir”. El profesor Domínguez, del IMB-CNM, lidera el desarrollo de los dispositivos transductores necesarios para CONVAT, que se están fabricando en la Plataforma de Integración Fotónica, ubicada en la Sala Blanca Integrada de Micro y nanofabricación del IMB-CNM.

Tal como sigue explicando este científico, los transductores tienen una estructura formada por una capa de nitruro de silicio de 340 nanómetros y dos capas envolventes de óxido de silicio de 2000 nanómetros. En la obtención de las capas, así como su procesado posterior, se utilizan procesos derivados de la tecnología microelectrónica de silicio.

En la zona expuesta al medio se inmoviliza una capa de compuestos biológicos (enzimas, antígenos, moléculas de ADN...) que reconocen específicamente la molécula que se intenta determinar. La interacción con la molécula buscada produce una variación en algún parámetro (temperatura, densidad, índice de refracción...), variación que a su vez afectará la propagación de la luz. De esta forma se establece la concentración de la molécula a partir de la variación en la intensidad de la luz.

Este es, en esencia, el funcionamiento de los transductores fotónicos del IMB-CNM, patentados por el CSIC para Europa y varios países del mundo. Ahora, en el proyecto CONVAT, “el equipo de la investigadora Laura Lechuga realiza el paso de modificar el transductor fotónico con una molécula específica (anticuerpo) para determinar selectivamente el coronavirus SARS, y validará el dispositivo final”.

El proyecto tiene una duración de dos años, aunque se prevé que se produzcan resultados en menos de un año, ya que se parte de resultados y tecnologías previos.

La tecnología también podría identificar rápidamente el tipo de coronavirus, distinguiendo entre una infección por el Convat-19 o si se trata de gripe común. Además, el dispositivo biosensor también se utilizará para el análisis de diferentes tipos de coronavirus presentes en animales reservorio, como los murciélagos, para observar y supervisar posibles evoluciones de estos virus y prevenir futuros brotes infecciosos en humanos.

CONVAT es un proyecto de cooperación entre España, Italia y Francia. Además del grupo de la Prof. Laura Lechuga, otros tres centros participarán en él: el grupo del Prof. Jordi Serra Cobo de la Universidad de Barcelona (UB); el laboratorio del Prof. Remi Charrel en la Universidad de Marsella; y el laboratorio del Dr. Antonino Di Caro, del Instituto Nacional Italiano de Enfermedades Infecciosas (INMI).

Proyecto POC4CoV

La tecnología de silicio también se está aplicando al desarrollo de otro dispositivo destinado al diagnóstico de COVID-19 en el marco del proyecto POC4CoV - Point-of-care tests for the rapid detection of SARS-CoV-2. Siete grupos de investigación participan en este proyecto de los cuales cinco pertenecen al Instituto de Química Avanzada de Cataluña (IQAC-CSIC), al Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM-CSIC) y al Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón (ICMA-CSIC).

El objetivo es desarrollar dos dispositivos para detectar de forma simultánea y rápida varios biomarcadores de la infección por SARS-CoV-2, los cuales permitirán conocer si el paciente está infectado y en qué etapa se encuentra de la enfermedad, para así poder monitorizar su progreso. Para detectar los biomarcadores se usarán bioreactivos específicos (anticuerpos, péptidos o sondas de ADN).

“El primero es un dispositivo electroquímico que incorpora una matriz de electrodos metálicos fabricados sobre sustratos de silicio mediante tecnología estándar de microfabricación en la Sala Blanca del IMB-CNM. Dicha matriz se acopla a un componente de papel desechable, donde se habrán definido diferentes secciones. En determinadas zonas del componente de papel estarían embebidos algunos de los bioreactivos específicos mencionados, marcados con una enzima para generar la señal electroquímica”, explican la profesora M. Pilar Marco, investigadora del CSIC en el IQAC, y César Fernandez, investigador del IMB-CNM. Los dos son coordinadores del proyecto y lideran, respectivamente los grupos de Nanobiotecnología para el Diagnóstico y el de Transductores Químicos.

La muestra del paciente se recogerá en tubos donde los bioreactivos específicos estarán inmovilizados en nanopartículas magnéticas, lo cual permitirá su captura. Después, una gota de las partículas magnéticas se añadirá se añade a las diferentes secciones del componente de papel y la solución se mueve por capilaridad hasta la zona de los electrodos, donde las nanopartículas se concentran por la acción de un campo magnético. Con esto esperamos obtener un incremento de la señal y por lo tanto una mayor sensibilidad, detalla Pilar Marco. El dispositivo es muy sencillo, similar a los tests de tira, y sería de bajo coste, lo que facilitará su uso masivo cerca del punto de atención al paciente.

El segundo dispositivo implica el uso de nanoestructuras plasmónicas, biofuncionalizadas con los bioreactivos específicos mencionados que permitirán identificar los biomarcadores sobre un soporte de nitrocelulosa, gracias al calor generado cuando estas son irradiadas por un láser. “La muestra se mezcla con estas sondas plasmónicas y se deposita en el extremo de la tira de papel. La solución fluye por capilaridad a través del papel hasta la zona de detección, donde otro bioreactivo específico allí inmovilizado, captura por afinidad los complejos formados con los biomarcadores de infección. La amplificación de señal se consigue gracias al empleo de nanopartículas plasmónicas e irradiación láser”, indica Marco. Este sistema es similar a los test de embarazo. Se trata igualmente de un dispositivo de bajo coste y fácil de usar.