“La tecnología que estamos desarrollando permitirá diagnosticar a los pacientes que sufran una infección de forma mucho más rápida y eficaz que las técnicas actuales”

Eduardo Gil Santos es licenciado en Física por la Universidad de Santiago de Compostela, en la especialidad de Materiales, y máster en Materiales Avanzados y Nanotecnología por la Universidad Autónoma de Madrid. En 2007, comenzó su carrera como investigador en el laboratorio de Bionanomecánica perteneciente al Instituto de Micro y Nanotecnología del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), financiado por una beca estatal (JAE predoc). Tras defender su tesis doctoral, se incorporó al grupo de Materiales y Fenómenos Cuánticos de la Universidad Paris Diderot donde trabajó casi cuatro años, transcurridos los cuales regresó al grupo de investigación en el que había iniciado su formación como investigador gracias a una beca europea (Marie-Sklodowska Curie Actions). Hace poco más de un año obtuvo la ayuda del programa ComFuturo de la Fundación General CSIC (FGCSIC) que le ha permitido financiar su propia línea de investigación basada en dispositivos optomecánicos.

En los últimos días, la revista Nature Nanotechnology publicaba una investigación coliderada por Gil Santos que abre la puerta a lograr futuros dispositivos que puedan detectar, de forma universal, a gran escala y con alta sensibilidad, la presencia de cualquier virus o bacteria en una muestra. Hoy hablamos con él sobre este hito.

Eres investigador de la segunda edición del Programa ComFuturo de la Fundación General CSIC en el Instituto de Micro y Nanotecnología del CSIC. ¿En qué líneas de investigación estás trabajando con la ayuda de este programa?

Mi proyecto trata de desarrollar sensores biológicos basados en resonadores optomecánicos. En concreto, queremos aplicarlos al diagnóstico de enfermedades infecciosas. Los dispositivos que desarrollamos serán capaces de detectar e identificar todo tipo de bacterias y virus. En este momento, el proyecto se encuentra en una fase inicial, en la cual estamos adquiriendo un mayor conocimiento acerca de estos microorganismos. Los resonadores optomecánicos permiten caracterizar con gran precisión sus propiedades ópticas y mecánicas como, por ejemplo, su índice de refracción y su masa, entre otras muchas. Queremos crear una base de datos que recoja las propiedades de estos microorganismos. En una segunda fase, gracias a esta base de datos, podremos utilizar los resonadores optomecánicos para detectar la presencia de cualquiera de estos microorganismos e identificarlos con una gran fiabilidad. La tecnología que estamos desarrollando permitirá diagnosticar a los pacientes que sufran una infección de forma mucho más rápida y eficaz que las técnicas actuales.

¿Dónde radica la importancia del trabajo publicado hace unos días en la revista Nature Nanotechnology?

Hay varios aspectos muy novedosos en nuestro trabajo. En primer lugar, hemos demostrado que las bacterias poseen modos mecánicos de vibración. En los últimos años, se habían intentado detectar estos modos utilizando diferentes técnicas basadas en dispersión óptica, pero hasta el momento, nadie lo había logrado. Probablemente, tras este trabajo, estas técnicas ópticas se desarrollarán aún más para verificar nuestros resultados. En cualquier caso, las técnicas ópticas quizás puedan proporcionar valores medios de muchos microorganismos, pero nosotros hemos logrado detectar los modos de vibración a nivel de una única entidad, lo cual supone una gran ventaja.

Es importante destacar en este punto, que las frecuencias de los modos mecánicos de vibración de cualquier tipo de estructura, están determinadas por su forma, su tamaño y sus propiedades mecánicas. Por lo tanto, mediante la detección de los modos de vibración de las bacterias y los virus podremos identificarlos de forma unívoca. Nuestro descubrimiento abre la puerta al desarrollo de una nueva técnica, la espectroscopía mecánica, que permitirá identificar todo tipo de micro y nanoentidades a través de la detección de sus modos mecánicos de vibración.

¿Cómo se consiguen detectar las vibraciones de las bacterias?

El método consiste en acoplar las vibraciones mecánicas de las bacterias a las de un resonador optomecánico que actúa como sensor. En física, es muy conocido que, al acoplar resonadores idénticos, el sistema acoplado posee modos colectivos de vibración. Aquí, aprovechamos un nuevo régimen de acoplamiento mecánico que consiste en acoplar dos resonadores muy diferentes: un resonador optomecánico (sensor) y una bacteria (analito). Para que los modos de vibración se acoplen es imprescindible que sus frecuencias de resonancia sean muy similares. En este punto, es importante destacar que las frecuencias de vibración de las bacterias son extremadamente altas, realizando miles de millones de oscilaciones por segundo. Por este motivo, una de las claves que nos ha permitido lograr este hito ha sido utilizar resonadores optomecánicos. La optomecánica permite detectar vibraciones muy pequeñas, incluso menores que el tamaño de un átomo, a frecuencias ultra altas, en el mismo régimen que las de las bacterias y los virus.

¿En qué aspectos mejora esta técnica a las ya existentes?

Hoy en día, las técnicas utilizadas en el diagnóstico de enfermedades infecciosas son dirigidas a un tipo concreto de bacteria o virus. El protocolo habitual que siguen los doctores cuando un paciente sufre una infección consiste en lo siguiente: basándose en los síntomas que presenta el paciente, junto con otros datos importantes acerca de él, como puede ser qué países ha visitado recientemente, los doctores deben intuir qué tipo de bacteria o virus está causando la infección, para realizar pruebas que confirmen la presencia de esos microorganismos en concreto. El problema es que hay muchos casos en los que sus sospechas no se confirman y deben realizar nuevas pruebas. Hay que tener en cuenta que hay muchísimos tipos de bacterias y virus, por lo que esta tarea no es, para nada, sencilla. En ocasiones, el diagnostico se retrasa demasiado y el paciente no recibe un tratamiento adecuado a tiempo. La tecnología que estamos desarrollando, la espectrometría mecánica, será una técnica “universal”, es decir, un mismo sensor podrá detectar cualquier tipo de bacteria o virus, e identificarlo de forma unívoca.

¿Cuáles son los siguientes pasos a seguir en esta investigación?

De momento, hemos demostrado que podemos detectar los modos mecánicos de vibración de las bacterias, lo cual, como ya he comentado, no es para nada trivial, ya que nadie había demostrado que estos modos ni siquiera existiesen. Lo hemos logrado para un solo tipo de bacteria, la Staphylococcus epidermidis, y es importante mencionar, que los sensores operaban en aire.

Ahora mismo centramos nuestros esfuerzos en probar que podemos detectar estas vibraciones incluso cuando nuestros sensores están sumergidos en líquido, el entorno natural para la biología. Al mismo tiempo, queremos aplicar la técnica a muchos más tipos de bacterias, y demostrar que la espectroscopía mecánica permite, tanto identificar de qué tipo de bacteria se trata, como obtener información precisa acerca del estado del ciclo vital en el que se encuentra.

El siguiente paso será extender la técnica a otros tipos de entidades biológicas. Demostraremos que es posible detectar los modos mecánicos de los virus, y que la espectroscopía mecánica permite no solo identificarlos, sino también, detectar la presencia de mutaciones. Hay que tener en cuenta que los diámetros de los virus son entre 10 y 10.000 veces menores al de las bacterias. Por lo tanto, sus volúmenes pueden llegar a ser incluso billones de veces menores, lo que indica la dificultad de esta tarea.

En el futuro, también queremos aplicar la técnica con células humanas, y ser capaces de distinguir las células sanas de las células cancerígenas, lo que nos permitirá detectar el cáncer en estados muy tempranos, mucho antes que los métodos actuales. Por otro lado, la espectroscopía mecánica también podrá aplicarse a la detección de entidades no biológicas, como son las micro y nanopartículas o los microplásticos.

¿Qué utilidad económica y social tiene este proyecto? ¿Cómo va a beneficiarse la sociedad de los resultados obtenidos?

Contar con una tecnología que permita identificar de forma inmediata los patógenos que causan una infección es fundamental para proporcionar los medicamentos más efectivos al paciente, así como para limitar la propagación de la infección y, en consecuencia, evitar brotes de pandemias, como la que estamos sufriendo actualmente. La necesidad de esta tecnología en el diagnóstico clínico es mucho anterior a la pandemia del SARS-CoV-2. La pandemia solo ha sacado a la luz de la sociedad esta necesidad. Hay que recordar que las enfermedades infecciosas son la segunda causa de muerte en el mundo, provocando más del 25% del total de muertes. Este porcentaje aumenta hasta el 45% en los países subdesarrollados, en los que afecta especialmente a los niños. En lo que se refiere al impacto económico, se calcula que los costes directos asociados a las enfermedades infecciosas superan los 100 mil millones de euros al año, solo en la Unión Europea, y a estos costes habría que sumarles los asociados a las pérdidas de producción durante el tiempo de hospitalización de los pacientes.

Estos datos no tienen en cuenta la actual pandemia, cuyo impacto socio-económico será enorme, el cual todavía es muy pronto para poder cuantificar.  

¿Para cuándo podremos disponer de esta tecnología?

Poner una fecha concreta es bastante complicado. Dependerá en gran medida de la financiación que consigamos para desarrollarla. Siendo optimista, es decir, contando con la financiación necesaria, en cinco años podríamos demostrar que la espectroscopía mecánica permite detectar e identificar una amplia gama de bacterias y virus. Una vez consigamos este hito, comercializar la tecnología e implantarla en los hospitales podría llevarnos entre 3 y 5 años más.

Y ya para terminar, háblanos del equipo científico que lo está llevando a cabo.

Este trabajo se ha realizado gracias al esfuerzo de todos los miembros del laboratorio. En el laboratorio de Bionanomecánica trabajamos cerca de 20 investigadores, expertos en diferentes campos de la ciencia: Física, Biología, Química, Ingeniería, etc. La colaboración de todos es esencial, ya que nuestro trabajo es ampliamente multidisciplinar. Es imposible que una sólo persona domine todas estas disciplinas, y realice todas las tareas necesarias para alcanzar los objetivos de un proyecto. Por mencionar algunas de nuestras tareas, implementamos sistemas experimentales muy avanzados, diseñamos y fabricamos los nanosensores, manipulamos las muestras biológicas y desarrollamos modelos teóricos que permitan interpretar correctamente los resultados experimentales.  Además, no solo colaboramos entre nosotros, sino también con otros centros de investigación, hospitales y empresas de toda Europa….

En este sentido, me gustaría destacar el departamento de Microbiología del Hospital Universitario La Paz, que nos proporciona las muestras biológicas y consejos muy valiosos acerca de las necesidades actuales de los laboratorios de diagnóstico clínico.