En biología molecular , los biochips son sustratos diseñados ("laboratorios miniaturizados") que pueden albergar un gran número de reacciones bioquímicas simultáneas. Uno de los objetivos de la tecnología de biochips es analizar de forma eficiente una gran cantidad de analitos biológicos, con aplicaciones potenciales que van desde el diagnóstico de enfermedades hasta la detección de agentes bioterroristas . Por ejemplo, los biochips de microfluidos digitales están bajo investigación para aplicaciones en campos biomédicos. En un biochip de microfluidos digital, un grupo de células (adyacentes) en la matriz de microfluidos se puede configurar para trabajar como almacenamiento, operaciones funcionales, así como para transportar gotas de fluido de forma dinámica. [1]
Historia
El desarrollo comenzó con el trabajo inicial en la tecnología de sensores subyacente . Uno de los primeros sensores portátiles basados en la química fue el electrodo de pH de vidrio , inventado en 1922 por Hughes. [2] El concepto básico de utilizar sitios de intercambio para crear membranas permselectivas se utilizó para desarrollar otros sensores de iones en los años siguientes. Por ejemplo, se produjo un sensor de K + incorporando valinomicina en una membrana delgada. [3]
En 1953, Watson y Crick anunciaron su descubrimiento de la ahora familiar estructura de doble hélice de las moléculas de ADN y prepararon el escenario para la investigación genética que continúa hasta el día de hoy. [4] El desarrollo de técnicas de secuenciación en 1977 por Gilbert [5] y Sanger [6] (trabajando por separado) permitió a los investigadores leer directamente los códigos genéticos que proporcionan instrucciones para la síntesis de proteínas . Esta investigación mostró cómo la hibridación de hebras de oligonucleótidos simples complementarias podría usarse como base para la detección de ADN. Dos desarrollos adicionales permitieron la tecnología utilizada en la moderna basada en ADN. Primero, en 1983 Kary Mullis inventó la técnica de reacción en cadena de la polimerasa (PCR), [4] un método para amplificar las concentraciones de ADN. Este descubrimiento hizo posible la detección de cantidades extremadamente pequeñas de ADN en muestras. En segundo lugar, en 1986, Hood y sus colaboradores idearon un método para etiquetar moléculas de ADN con etiquetas fluorescentes en lugar de radiomarcadores, [7] permitiendo así la observación óptica de experimentos de hibridación.
La Figura 1 muestra la composición de una plataforma de biochip típica. El componente de detección real (o "chip") es solo una pieza de un sistema de análisis completo. Se debe realizar una transducción para traducir el evento de detección real (unión de ADN, oxidación / reducción , etc. ) a un formato comprensible para una computadora ( voltaje , intensidad de luz, masa, etc. ), que luego permite análisis y procesamiento adicionales para producir una Salida final legible por humanos . Las múltiples tecnologías necesarias para fabricar un biochip exitoso, desde la detección de la química hasta el microarreglo y el procesamiento de señales, requieren un verdadero enfoque multidisciplinario, lo que hace que la barrera de entrada sea empinada. Uno de los primeros biochips comerciales fue introducido por Affymetrix . Sus productos "GeneChip" contienen miles de sensores de ADN individuales para su uso en la detección de defectos, o polimorfismos de un solo nucleótido (SNP), en genes como p53 (un supresor de tumores) y BRCA1 y BRCA2 (relacionados con el cáncer de mama). [8] Los chips se producen mediante el uso de técnicas de microlitografía tradicionalmente utilizadas para fabricar circuitos integrados (ver más abajo).
Fabricación de microarrays
El microarray, la rejilla densa bidimensional de biosensores, es el componente crítico de una plataforma de biochip. Normalmente, los sensores se depositan sobre un sustrato plano, que puede ser pasivo ( p . Ej., Silicio o vidrio) o activo, este último compuesto por dispositivos electrónicos integrados o micromecánicos que realizan o ayudan a la transducción de señales. La química de la superficie se utiliza para unir covalentemente las moléculas del sensor al medio del sustrato. La fabricación de microarrays no es trivial y es un gran obstáculo económico y tecnológico que, en última instancia, puede decidir el éxito de las futuras plataformas de biochips. El principal desafío de fabricación es el proceso de colocar cada sensor en una posición específica (generalmente en una cuadrícula cartesiana ) en el sustrato. Existen varios medios para lograr la colocación, pero típicamente se utilizan sistemas robóticos de micropipeteo [9] o microimpresión [10] para colocar pequeños puntos de material sensor en la superficie del chip. Debido a que cada sensor es único, solo se pueden colocar unos pocos puntos a la vez. La naturaleza de bajo rendimiento de este proceso da como resultado altos costos de fabricación.
Fodor y sus colegas desarrollaron un proceso de fabricación único (posteriormente utilizado por Affymetrix ) en el que se utiliza una serie de pasos de microlitografía para sintetizar de forma combinatoria cientos de miles de sensores de ADN de una sola hebra en un sustrato, un nucleótido a la vez. [11] [12] Se necesita un paso de litografía por tipo de base; por tanto, se requiere un total de cuatro pasos por nivel de nucleótidos. Aunque esta técnica es muy poderosa porque se pueden crear muchos sensores simultáneamente, actualmente solo es factible para crear hebras de ADN cortas (15-25 nucleótidos). Los factores de confiabilidad y costo limitan el número de pasos de fotolitografía que se pueden realizar. Además, las técnicas de síntesis combinatoria dirigida por luz no son posibles actualmente para proteínas u otras moléculas sensoras.
Como se señaló anteriormente, la mayoría de los microarrays consisten en una cuadrícula cartesiana de sensores. Este enfoque se utiliza principalmente para mapear o "codificar" las coordenadas de cada sensor para su función. Los sensores de estas matrices suelen utilizar una técnica de señalización universal ( por ejemplo, fluorescencia), por lo que las coordenadas son su única característica de identificación. Estas matrices deben realizarse mediante un proceso en serie ( es decir, que requieran varios pasos secuenciales) para garantizar que cada sensor se coloque en la posición correcta.
La fabricación "aleatoria", en la que los sensores se colocan en posiciones arbitrarias en el chip, es una alternativa al método en serie. No se requiere el tedioso y costoso proceso de posicionamiento, lo que permite el uso de técnicas de autoensamblaje en paralelo. En este enfoque, se pueden producir grandes lotes de sensores idénticos; Los sensores de cada lote se combinan y ensamblan en una matriz. Se debe utilizar un esquema de codificación no basado en coordenadas para identificar cada sensor. Como muestra la figura, este diseño se demostró por primera vez (y luego lo comercializó Illumina) utilizando perlas funcionalizadas colocadas al azar en los pozos de un cable de fibra óptica grabado . [13] [14] Cada cuenta se codificó de forma única con una firma fluorescente. Sin embargo, este esquema de codificación está limitado en el número de combinaciones de tintes únicas que se pueden usar y diferenciar con éxito.
Matriz de biochips de proteínas y otras tecnologías de microarrays
Los microarrays no se limitan al análisis de ADN ; microarrays de proteínas , microarray anticuerpo , microarray compuesto químico también se pueden producir utilizando biochips. Randox Laboratories Ltd. lanzó Evidence, el primer analizador de proteína Biochip Array Technology en 2003. En proteína Biochip Array Technology, el biochip reemplaza la placa o cubeta ELISA como plataforma de reacción. El biochip se utiliza para analizar simultáneamente un panel de pruebas relacionadas en una sola muestra, produciendo un perfil de paciente . El perfil del paciente se puede utilizar en el cribado, diagnóstico , seguimiento de la progresión de la enfermedad o seguimiento del tratamiento. La realización de varios análisis simultáneamente, que se describe como multiplexación, permite una reducción significativa en el tiempo de procesamiento y la cantidad de muestra de paciente requerida. La tecnología Biochip Array es una aplicación novedosa de una metodología familiar, que utiliza inmunoensayos sándwich, competitivos y de captura de anticuerpos . La diferencia con los inmunoensayos convencionales es que los ligandos de captura se unen covalentemente a la superficie del biochip en una matriz ordenada en lugar de en solución.
En los ensayos tipo sándwich se utiliza un anticuerpo marcado con enzima; en ensayos competitivos se usa un antígeno marcado con enzima. En la unión anticuerpo-antígeno, una reacción de quimioluminiscencia produce luz. La detección se realiza mediante una cámara de dispositivo de carga acoplada (CCD). La cámara CCD es un sensor sensible y de alta resolución capaz de detectar y cuantificar con precisión niveles de luz muy bajos. Las regiones de prueba se ubican usando un patrón de cuadrícula y luego las señales de quimioluminiscencia se analizan mediante software de imágenes para cuantificar rápida y simultáneamente los analitos individuales.
Los biochips también se utilizan en el campo de la microfisiometría, por ejemplo, en aplicaciones skin-on-a-chip [15] .
Para obtener detalles sobre otras tecnologías de matrices, consulte Microarrays de anticuerpos .
Ver también
- Microarreglo de compuestos químicos
- Micromatriz de ADN
- Laboratorio en un chip
- Inmunoensayo magnético
- Microfisiometria
- Nanosensores
- Órgano en un chip
- Abrazadera de parche plana
- Matriz de proteínas
- Secuenciación
- Polimorfismo de nucleótido simple
- Micromatriz de tejido
Referencias
- ^ "Síntesis de alto nivel de biochips microfluídicos digitales" (PDF) . Universidad de Duke.
- ^ WS Hughes, "La diferencia de potencial entre el vidrio y los electrolitos en contacto con el agua", J. Am. Chem. Soc. 44, págs. 2860–2866, 1922
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