¿Qué son las generaciones de biosensores de glucosa?

Cuando pensamos en generaciones en la tecnología, quizás lo primero que nos viene a la mente es la red de telecomunicaciones. Primero fue la 1G y ahora ya estamos en la 5G.

Con cada nueva generación hemos mejorado la velocidad, la complejidad y la variedad de dispositivos con los que nos comunicamos a diario.

Al igual que la red de telecomunicaciones, los biosensores también tienen varias generaciones. Con cada una de ellas, los biosensores se vuelven más rápidos, más fiables y ganan más funcionalidades.

De todos los biosensores, el biosensor de glucosa es el que lleva más tiempo en el mercado. Por lo tanto, es el biosensor que ha experimentado más generaciones. A continuación explicamos más sobre ellos.

¿Cuántos biosensores de glucosa existen hasta la fecha?

Hasta la fecha contamos con 3,5 generaciones de glucosa. Entendemos que es una cifra extraña. ¿Cómo es posible que haya medias generaciones? Todo depende de cómo se nombren las generaciones. Más adelante explicaremos más sobre esta "media" generación y por qué no se considera una generación propia.

Biosensor de glucosa de primera generación

La primera generación de biosensores de glucosa utiliza una enzima, normalmente la glucosa oxidasa, para convertir la glucosa en glucolactona y liberar electrones.

Esta enzima, requiere que el oxígeno se regenere y continúe catalizando la reacción. Durante esta regeneración, el oxígeno disuelto en la solución se agota y se produce peróxido de hidrógeno.

En esta generación, el peróxido de hidrógeno producido es lo que realmente se utiliza para detectar la glucosa. Mediante la electrorreducción del peróxido de hidrógeno podemos determinar la cantidad de glucosa en la muestra midiendo 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. En consecuencia, esto puede conducir a errores de cuantificación si el oxígeno se convierte en el factor limitante de la reacción.

Biosensores de glucosa de segunda generación

La 2ª generación de biosensores de glucosa buscó una solución al problema que se encontró la 1ª generación: la dependencia del oxígeno.

Para eliminar esta dependencia, se investigó una alternativa al oxígeno.

En el biosensor de glucosa de primera generación, el oxígeno actúa como mediador natural de la reacción. Regenera el centro catalítico de la enzima para que pueda descomponer otra molécula de glucosa.

Esta regeneración se produce mediante una transferencia de electrones entre el oxígeno y el centro catalítico de la enzima. Sin embargo, esta transferencia de electrones no es excluyente del oxígeno. Hay otras moléculas, como el ferroceno, que son capaces de intercambiar electrones con el centro catalítico de la enzima.

Al sustituir el oxígeno por otra molécula, como el ferroceno, los biosensores de glucosa mejoraron su reproducibilidad. Ya no dependían del oxígeno disuelto en la sangre de los pacientes.

Sin embargo, estos biosensores no son adecuados para ser utilizados en dispositivos implantables. La mayoría de las moléculas utilizadas para sustituir al oxígeno en el sensor de esta generación están libres en solución. Por lo tanto, si estos dispositivos se implantaran en un paciente, la concentración de este mediador libre variaría con el tiempo. Como resultado, la sensibilidad del biosensor decaería rápidamente. Además, si el mediador elegido fuera tóxico, al estar libre en la solución provocaría problemas de salud.

2.5ª generación de biosensores de glucosa

Ahora llegamos a la "media" generación. Esta generación, es muy similar a la 2ª generación. De hecho, es tan similar que no se puede calificar como una generación completa.

El mecanismo de funcionamiento es el mismo que el del biosensor de glucosa de segunda generación: sustituir el oxígeno por un mediador redox artificial. Por este motivo, no se consideró digno de una nueva generación.

Sin embargo, hay una diferencia. En la 2.5ª generación, el mediador no está libre en la solución. En cambio, está unido al electrodo.

Aunque esta pequeña diferencia puede parecer trivial, es de vital importancia para desarrollar biosensores de glucosa portátiles.

Gracias al mediador enlazado, su concentración se mantiene constante. Esto ayuda a mantener la sensibilidad del biosensor durante más tiempo. Además, este formato minimiza los problemas de toxicidad potencial. Por esta razón, los biosensores de glucosa de 2.5ª generación son una de las mejores opciones para desarrollar biosensores de glucosa implantables.

Biosensores de glucosa de tercera generación

Mientras que la generación 2.5 ha demostrado ser útil para una gran cantidad de aplicaciones, la investigación sobre biosensores continuó con nuevas ideas para mejorarlos.

Este es el caso de la tercera generación de biosensores de glucosa.

En esta generación el objetivo es eliminar por completo el mediador y utilizar el electrodo para intercambiar electrones con el centro catalítico de la enzima. Esta tecnología se conoce como Transferencia Directa de Electrodos (DET).

Sin embargo, esta tecnología aún está en desarrollo y sólo un puñado de empresas afirman ser capaces de realizar la DET y no hay dispositivos comerciales disponibles.

El principal reto de la tercera generación es la estructura de la propia enzima. Como el centro catalítico está enterrado en lo más profundo de la enzima, está demasiado lejos para poder transferir electrones directamente desde el electrodo.

Por este motivo, el desarrollo de biosensores de glucosa de tercera generación se centra en dos líneas de investigación:

  • Nuevos materiales de electrodos capaces de intercambiar electrones a mayor distancia
  • Nuevas enzimas artificiales con una estructura proteica que muestra un centro catalítico más expuesto

Hasta la fecha, se han obtenido numerosos resultados interesantes en la literatura académica y esperamos ver pronto biosensores de glucosa comerciales de tercera generación.

¿Y la 4ª generación de biosensores de glucosa?

Hasta ahora hemos hablado de las generaciones de biosensores de glucosa existentes y de cómo han mejorado la detección de la glucosa a lo largo de los años. Pero, ¿qué hay más allá de la tercera generación?

Aunque los biosensores de glucosa de 4ª generación se han previsto de múltiples maneras, aún no se ha determinado cuál será la base de esta tecnología. Los biosensores de glucosa siguen presentando una serie de problemas que hay que solucionar, por lo que las tecnologías capaces de resolver estos problemas podrían convertirse en la 4ª generación de biosensores de glucosa.

Problema 1: calibración

Aunque los biosensores de glucosa implantables mejoran en gran medida la calidad de vida de los pacientes diabéticos al reducir la cantidad de veces que tienen que pincharse los dedos para tomar lecturas de azúcar en sangre, no eliminan por completo la necesidad de estas mediciones.

A menudo, los biosensores implantables requieren una calibración inicial y/o periódica para obtener mediciones precisas.

Esto significa que el paciente tiene que combinar el dispositivo implantable con tiras de glucosa. Lo que supone un gran obstáculo para la adopción del mercado.

Una posible 4ª generación sería un biosensor de glucosa autocalibrado como el que Madelecs está trabajando.

Problema 2: estabilidad a largo plazo

El segundo gran reto de los biosensores de glucosa es su estabilidad a largo plazo.

Este reto, de hecho, no es exclusivo de los biosensores de glucosa. Es común en todos los biosensores.

Los receptores biológicos tienen tendencia a degradarse con el paso del tiempo, lo que conlleva una corta vida útil y requisitos especiales de almacenamiento, como almacenes refrigerados.

Por esta razón, un posible biosensor de glucosa de cuarta generación puede ser, en cambio, un quimiosensor. Es decir, un sensor de glucosa que no utilice en absoluto un receptor biológico. Sin embargo, todavía no se ha encontrado un receptor artificial con una sensibilidad y selectividad comparables a las de las enzimas existentes.

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