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Que son las generaciones en los biosensores de glucosa?

Qué son las generaciones en los biosensores de glucosa?

Cuando pensamos en generaciones en tecnología, lo primero que se nos viene a la cabeza es la red de telecomunicaciones.  Primero vino el 1G, y ahora vamos por el 5G. Con cada nueva generación, hemos podido mejorar la rapidez, la complexidad y la variedad de dispositivos con los que nos comunicamos día a día.

Al igual que pasa con la red de communicaciones, los biosensores también tienen distintas generaciones. Con cada una de ellas, los biosensores se vuelven más rápidos, más fiables y obtienen mejor funcionalidad. De todos los biosensores, el de glucosa es el que lleva más tiempo en el mercado. Por lo tanto, es el biosensor que ha pasado por más generaciones. A continuación te explicamos más sobre ellas.

Cuántas generaciones de biosensores de glucosa existen actualmente?

A día de hoy, existen 3.5 generaciones de biosensores de glucosa. Este es un número un tanto extraño, cómo pueden haver medias generaciones? La razón es tan sólo una cuestión de nomenclatura. Más adelante os explicamos cuál es esta ¨media¨ generación y porqué no se consideró una generación por sí misma. 

1ª Generación de biosensores de glucosa

Figura 1. Esquema de un biosensor de glucosa de 1ª generación.
Figura 1. Esquema de un biosensor de glucosa de 1ª generación.

En la primera generación de biosensores de glucosa se requiere de oxígeno para que la enzima, normalmente glucosa oxidasa, pueda realizar la conversión de glucosa a gluconolactona.

Durante la reacción enzimática, el oxígeno se consume y se genera peróxido de hidrógeno.

Este peróxido de hidrógeno generado es el que se utiliza para la detección de la glucosa.  Mediante la electroreducción del peróxido de hidrógeno en el electrodo de trabajo, podemos determinar la cantidad de glucosa en la muestra en función de la corriente eléctrica generada.

El principal inconveniente de esta primera generación de biosensores de glucosa es que la señal depende de la concentración de oxígeno disuelto en la muestra. Esto puede llevar a problemas de cuantificación si no se dispone de suficiente oxígeno disuelto en la muestra para oxidar la glucosa.


2ª Generación de Biosensores de Glucosa

En la 2ª generación de biosensores de glucosa se buscó una solución al principal problema de la 1ª generación: la dependencia del oxígeno.

Para conseguir eliminar la dependencia del oxígeno, el cual es el mediador natural de la reacción, se buscaron opciones alternativas que permitiesen reemplazar al oxígeno.

El oxígeno, en esencia, regenera el centro catalítico de la enzima mediante un intercambio de electrones. Gracias a este intercambio, la enzima puede transformar la glucosa en gluconolactona múltiples veces. 

Este intercambio de electrones no ocurre exclusivamente con el oxígeno. Existen otras moléculas, como el ferroceno, que son capaces de realizar este intercambio de electrones con el centro catalítico de la enzima.

Figura 2. Esquema de un biosensor de glucosa de 2ª generación.
Figura 2. Esquema de un biosensor de glucosa de 2ª generación.

Gracias a la sustitución del oxígeno por otras moléculas, como el ferroceno, los biosensores de glucosa mejoraron su reproducibilidad. Ahora ya no dependen del oxígeno disuelto en la sangre del paciente. 

Sin embargo, estos biosensores no son aptos para dispositivos implantables. Dado que estas moléculas sustitutivas del oxígeno están disueltas en la muestra, al utilizarlas en un dispositivo implantable su concentración disminuiría con el tiempo. Esto conllevaría una caída rápida de la sensitividad del biosensor y, en el caso que la molécula escogida fuese tóxica, también podría provocar problemas de salud.

2.5ª Generación de biosensores de glucosa

Figura 3. Esquema de un biosensore de glucosa de 2.5ª generación.
Figura 3. Esquema de un biosensore de glucosa de 2.5ª generación.

La siguiente generación de biosensores de glucosa de la que vamos a hablar es la denominada generación 2.5.

Esta generación es muy parecida a la generación 2, por eso comúnmente se la conoce como generación 2.5.

El principio de funcionamiento es el mismo: substituir el oxígeno como mediador natural de la glucosa oxidasa por un mediador redox artificial. Sin embargo hay una diferencia. En la generación 2.5, el mediador está adherido al electrodo y no se dissuelve en la muestra. Dado que el principio de funcionamiento es esencialmente el mismo que en la generacion 2, esta generación no se consideró suficientemente distinta como para reconocerse como una generación completamente nueva. De aquí que en las referencias académicas se la denomine generación 2.5.

Aunque esta pequeña diferencia pueda parecer trivial, ha resultado ser de vital importancia para el desarrollo de biosensores en formato wearable.


Gracias a que el mediador se encuentra adherido al electrodo, su concentración permanece constante, ayudando a mantener la sensitividad del biosensor durante más tiempo. Además, esta configuración también ayuda a minimizar los possibles efectos de toxicidad. Por lo que hace de este tipo de biosensores de glucosa una muy buena opción para desarrollar dispositivos implantables.

3ª Generación de biosensores de glucosa

Si bien la generación 2.5 funciona en multitud de aplicaciones, la investigación sobre biosensores de glucosa ha continuado adelante con nuevas ideas para mejorarlos todavía más.

En el caso de la 3ª generación de biosensores de glucosa, la mejora consiste en eliminar, por completo, el mediador.

En esta generación, se pretende mejorar la selectividad del biosensor interrogando la enzima directamente mediante un proceso llamado Direct Electron Transfer (DET, del inglés Tranferencia Directa de Electrones).

Sin embargo, esta tecnología aún está en desarrollo y seguramente tarde algunos años más en llegar al mercado como biosensor.

Figura 4. Esquema de un biosensor de glucosa de 3ª generación.
Figura 4. Esquema de un biosensor de glucosa de 3ª generación.

El principal reto para el desarrollo de esta 3ª generación de biosensores de glucosa es la estructura de la enzima como tal. Dado que el centro catalítico está enterrado dentro de la enzima, es complicado conseguir transferir los electrones de la reacción enzimatica al electrodo debido a la distancia existente.

Por esta razón, la investigación actual se centra en desarrollar nuevos electrodos capaces de transferir electrones desde el interior de la enzima, así como en el desarrollo de nuevas enzimas con el centro catalítico más expuesto para facilitar la transferencia de electrones. A día de hoy, se han conseguido resultados interesantes a nivel académico, pero todavía no se han convertido en aplicaciones comerciales.

Cómo se espera que sea la 4ª Generación de Biosensores de glucosa?

Hasta ahora hemos hablado de cómo son las generaciones de biosensores actuales y qué mejoras han aportado cada una de ellas. Pero qué hay más allá de la 3ª generacion? Qué podemos esperar de la 4ª generación de biosensores de glucosa?

Si bien no se ha definido a dia de hoy en qué consistirá la 4ª generación de biosensores de glucosa, todavía existen un par de retos a solucionar.

calibración

Aunque los biosensores implantables suponen una mejora considerable de la calidad de vida de los pacientes de diabetes, ya que reducen el número de veces que deben pincharse para medir sus niveles en sangre, no los eliminan por completo. A menudo, estos biosensores implantables requieren de una calibración inicial y/o periódica para obtener lecturas precisas. Esto significa que el paciente debe combinar el uso del biosensor implantable con las tiras de glucosa. Esto supone un gran reto para su adopción.

Una posible 4ª generación de biosensores de glucosa consistiría en un biosensor autocalibrable como en el que está trabajando Madelecs, una empresa del grupo ZP al cual pertenece Macias Sensors.

Estabilidad a largo plazo

El segundo reto es la estabilidad de los biosensores a largo plazo.

Este reto no es exclusivo de los biosensores de glucosa, sino de los biosensores en general. Los receptores biológicos tienen tendencia a degradarse con el tiempo, lo que lleva a que tengan fechas de caducidad bastante reducidas y a menudo requieran ser guardados en condiciones especiales, como por ejemplo, almacenes refrigerados.

Por esta razón, una posible 4ª generación de biosensores de glucosa podría ser, de hecho, un sensor que no utilice un componente biológico para detectar la glucosa. Sin embargo, todavía no se ha encontrado un receptor artificial que funcione con la misma selectividad y sensitividad que las enzimas utilizadas a día de hoy.


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