Bioelectrónica

La bioelectrónica representa una innovadora convergencia de biología y tecnología que promete revolucionar la asistencia sanitaria, la vigilancia del medio ambiente y nuestra comprensión de los sistemas biológicos. Esta guía explora los aspectos clave de la bioelectrónica y sus posibles aplicaciones.

¿Qué es la Bioelectrónica?

La bioelectrónica es un campo emergente que combina los principios y técnicas de la biología y la electrónica para crear nuevos dispositivos y sistemas capaces de interactuar con organismos vivos. Los dispositivos bioelectrónicos pueden revolucionar la medicina, la biotecnología, la vigilancia del medio ambiente y muchos otros campos al permitir nuevas formas de detectar, estimular y modular señales y procesos biológicos.

Importancia de la bioelectrónica

Algunas de las razones por las que la bioelectrónica es importante son:

• Los dispositivos bioelectrónicos pueden ofrecer alternativas no invasivas o mínimamente invasivas a los tratamientos y terapias convencionales, como los fármacos, la cirugía o los implantes. Por ejemplo, los dispositivos bioelectrónicos pueden utilizar la estimulación eléctrica para modular la actividad de nervios, músculos u órganos, restaurando o mejorando así su función. Uno de estos dispositivos es el estimulador del nervio vago, que puede tratar la epilepsia, la depresión y el dolor crónico enviando impulsos eléctricos al nervio vago, que conecta el cerebro con diversos órganos.
• Los dispositivos bioelectrónicos pueden proporcionar una monitorización continua y en tiempo real de parámetros biológicos, como la glucosa, la presión arterial, la frecuencia cardíaca o la actividad cerebral, mediante sensores que pueden implantarse, ingerirse o llevarse sobre la piel. Estos dispositivos también pueden transmitir los datos de forma inalámbrica a dispositivos externos, como teléfonos inteligentes, ordenadores o servidores en la nube, para su análisis, diagnóstico o retroalimentación. Por ejemplo, los dispositivos bioelectrónicos pueden controlar los niveles de glucosa de los pacientes diabéticos y ajustar automáticamente la administración de insulina mediante un sistema de bucle cerrado.
• Los dispositivos bioelectrónicos pueden permitir la comunicación e interacción bidireccional entre sistemas biológicos y electrónicos, como células, tejidos, órganos u organismos, y circuitos, chips o robots. Esto puede dar lugar a nuevas posibilidades de crear sistemas híbridos capaces de combinar las ventajas de ambos dominios, como la adaptabilidad, la inteligencia y la eficiencia. Por ejemplo, los dispositivos bioelectrónicos pueden utilizar la optogenética, una técnica que emplea la luz para controlar la actividad de células modificadas genéticamente, para manipular el comportamiento de neuronas, bacterias o plantas.

¿Cómo funcionan los dispositivos bioelectrónicos?

Los dispositivos bioelectrónicos son una clase de dispositivos que interactúan con sistemas biológicos, como células, tejidos, órganos o incluso organismos completos, mediante señales eléctricas. Pueden utilizarse para monitorizar, estimular, modular o regular diversas funciones biológicas, como la actividad neuronal, el ritmo cardíaco, la secreción hormonal, la respuesta inmunitaria o la expresión genética. Los dispositivos bioelectrónicos se pueden clasificar en dos tipos principales: invasivos y no invasivos. Los dispositivos invasivos se implantan en el interior del cuerpo, mientras que los dispositivos no invasivos se adhieren a la superficie de la piel u otros órganos externos.

Aplicaciones de los dispositivos bioelectrónicos

Algunas de las aplicaciones de los dispositivos bioelectrónicos son:

• Neuroprótesis: Son dispositivos que sustituyen o aumentan la función de estructuras neuronales dañadas o ausentes, como implantes cocleares, implantes de retina, estimuladores cerebrales profundos o estimuladores de la médula espinal. Pueden devolver la audición, la visión, el movimiento o la sensibilidad a pacientes con diversos trastornos o lesiones neurológicas.
• Biosensores: Son dispositivos que detectan y miden la presencia o concentración de biomoléculas específicas, como glucosa, lactato, oxígeno o ADN, en fluidos o tejidos biológicos. Pueden utilizarse con fines diagnósticos, terapéuticos o de investigación, como el control de la glucosa, la administración de fármacos o la terapia génica.
• Órgano-en-un-chip: Se trata de dispositivos que imitan la estructura y función de órganos humanos, como el corazón, el pulmón, el hígado o el riñón, utilizando canales microfluídicos y células vivas. Pueden utilizarse para el cribado de fármacos, pruebas de toxicidad o modelización de enfermedades, sin necesidad de ensayos con animales o humanos.
• Dispositivos biohíbridos: Son dispositivos que combinan componentes biológicos y artificiales, como células vivas y materiales sintéticos, para crear funcionalidades o comportamientos novedosos. Pueden utilizarse para la biodetección, la biocatálisis, la bioenergía o la bioinformática, como las celdas de combustible bacterianas, los músculos artificiales o las computadoras de ADN.

Desafíos en la investigación en bioelectrónica

Si bien el potencial de la bioelectrónica es inmenso, los investigadores enfrentan varios desafíos:

• Biocompatibilidad: Garantizar la compatibilidad a largo plazo entre los dispositivos electrónicos y los sistemas biológicos.
• Miniaturización: Desarrollar dispositivos más pequeños sin comprometer su funcionalidad
• Alimentación eléctrica: Creación de fuentes de alimentación eficientes y duraderas para dispositivos implantables
• Procesamiento de datos: Gestión e interpretación de las enormes cantidades de datos generados por los dispositivos bioelectrónicos.
• Consideraciones éticas: Abordar los problemas de privacidad y el posible uso indebido de las tecnologías bioelectrónicas

¿Cuáles son algunos de los dispositivos bioelectrónicos existentes y emergentes en diversos campos?

Algunos de los dispositivos bioelectrónicos existentes y emergentes en diversos campos son:

Interfaces neuronales: Son dispositivos que conectan con el sistema nervioso, ya sea periférica o centralmente, para registrar o estimular la actividad neuronal. Las interfaces neuronales pueden utilizarse para restaurar funciones sensoriales o motoras, tratar trastornos neurológicos o mejorar capacidades cognitivas o emocionales. Ejemplos de interfaces neurales son los implantes cocleares, las prótesis de retina, los estimuladores cerebrales profundos, las interfaces cerebro-ordenador y el polvo neural.

Órgano en un chip: Se trata de dispositivos microfluídicos que imitan la estructura y función de órganos humanos como el corazón, los pulmones, el hígado, los riñones o la piel. Los dispositivos órgano-en-un-chip pueden utilizarse para pruebas farmacológicas, modelización de enfermedades o medicina personalizada. Ejemplos de dispositivos órgano-en-un-chip son corazón-en-un-chip, pulmón-en-un-chip, hígado-en-un-chip, riñón-en-un-chip y piel-en-un-chip.

Sistemas biohíbridos: Son sistemas que combinan células o tejidos vivos con materiales sintéticos, como polímeros, metales o semiconductores, para crear dispositivos funcionales. Los sistemas biohíbridos pueden utilizarse para la biodetección, la bioenergía, la biocatálisis o la biorremediación. Ejemplos de sistemas biohíbridos son las células de biocombustible, los biosensores, los biorreactores y los órganos bioartificiales.

Dispositivos de biología sintética: Se trata de dispositivos que utilizan componentes biológicos artificiales, como ADN, ARN, proteínas o células, para realizar funciones específicas, como la computación, la comunicación o la regulación. Los dispositivos de biología sintética pueden utilizarse en biotecnología, bioingeniería o bioseguridad. Ejemplos de dispositivos de biología sintética son los circuitos genéticos, el origami de ADN, los interruptores de ARN y las terapias celulares.

¿Cómo pueden los dispositivos bioelectrónicos medir señales y parámetros biológicos?

Los dispositivos bioelectrónicos están diseñados para interactuar con sistemas biológicos y manipular o controlar sus funciones. Uno de los principales retos de la bioelectrónica es desarrollar sensores capaces de medir con precisión diversas señales y parámetros biológicos, como la actividad eléctrica, la concentración química, la temperatura, la presión y el pH. Estos sensores deben ser biocompatibles, sensibles, selectivos, estables y mínimamente invasivos. En esta sección exploraremos algunos de los principios y métodos de la detección bioelectrónica, así como algunas de sus aplicaciones actuales y potenciales.

• Detección eléctrica: La detección eléctrica se basa en la medición de los cambios en las propiedades eléctricas, como el voltaje, la corriente, la resistencia, la capacitancia o la impedancia, de un sistema biológico o un elemento sensor en respuesta a un estímulo biológico. Por ejemplo, la electrocardiografía (ECG) mide la actividad eléctrica del corazón, la electroencefalografía (EEG) mide la actividad eléctrica del cerebro y los transistores de efecto de campo sensibles a los iones (ISFET) miden la concentración de iones en una solución detectando los cambios en el potencial de superficie de un semiconductor. La detección eléctrica también puede utilizarse para medir las propiedades eléctricas de moléculas biológicas, como el ADN, las proteínas o las enzimas, mediante técnicas como los transistores de nanocables o nanotubos, los sensores basados en grafeno o los biosensores electroquímicos.
• Detección óptica: La detección óptica se basa en la medición de los cambios en las propiedades ópticas, como la absorción, reflexión, emisión, fluorescencia o dispersión, de un sistema biológico o un elemento sensor en respuesta a un estímulo biológico. Por ejemplo, la pulsioximetría mide la saturación de oxígeno de la sangre detectando los cambios en la absorción de la luz roja e infrarroja, la tomografía de coherencia óptica (OCT) mide las propiedades estructurales y funcionales de los tejidos biológicos detectando la interferencia de la luz infrarroja cercana, y la transferencia de energía por resonancia de fluorescencia (FRET) mide la interacción de las moléculas biológicas detectando la transferencia de energía entre dos moléculas fluorescentes. La detección óptica también puede utilizarse para medir las propiedades ópticas de moléculas biológicas, como el ADN, las proteínas o las enzimas, mediante técnicas como la resonancia de plasmón superficial (SPR), la resonancia de plasmón superficial localizada (LSPR) o los nanosensores plasmónicos.
• Detección mecánica: La detección mecánica se basa en la medición de los cambios en las propiedades mecánicas, como la fuerza, la presión, la deformación o el desplazamiento, de un sistema biológico o un elemento sensor en respuesta a un estímulo biológico. Por ejemplo, la medición de la presión sanguínea mide la fuerza ejercida por la sangre sobre las paredes de las arterias, los sensores piezoeléctricos miden la deformación de un material debido a un campo eléctrico aplicado o viceversa, y los sensores acústicos miden las ondas sonoras generadas o reflejadas por un sistema biológico. La detección mecánica también puede utilizarse para medir las propiedades mecánicas de las moléculas biológicas, como el ADN, las proteínas o las enzimas, mediante técnicas como la microscopía de fuerza atómica (AFM), la microbalanza de cristal de cuarzo (QCM) o los resonadores nanomecánicos.

Conclusión

Los dispositivos bioelectrónicos están surgiendo como un prometedor campo de investigación y aplicación que pretende integrar sistemas biológicos y circuitos electrónicos. Al explotar las propiedades y funciones únicas de ambos dominios, los dispositivos bioelectrónicos pueden ofrecer soluciones novedosas para la detección, actuación, computación, comunicación y captación de energía. Sin embargo, antes de que los dispositivos bioelectrónicos puedan alcanzar todo su potencial y repercusión, es necesario abordar numerosos retos y limitaciones. En esta sección resumiremos algunas de las principales conclusiones e implicaciones de los dispositivos bioelectrónicos desde diferentes perspectivas:

• Científica: Los dispositivos bioelectrónicos pueden aportar nuevos conocimientos sobre los mecanismos e interacciones fundamentales de los sistemas biológicos y electrónicos. Por ejemplo, los dispositivos bioelectrónicos pueden utilizarse para estudiar las señales eléctricas y químicas de neuronas, células, tejidos y órganos, y cómo se afectan entre sí y al comportamiento general del organismo. Los dispositivos bioelectrónicos también pueden utilizarse para manipular y modular estas señales y observar los cambios y respuestas resultantes. Además, los dispositivos bioelectrónicos pueden permitir la creación de sistemas biológicos artificiales que imiten o aumenten los naturales, como células, órganos u organismos sintéticos.
• Tecnológicos: Los dispositivos bioelectrónicos pueden permitir el desarrollo de nuevas tecnologías y aplicaciones que aprovechen las ventajas de los sistemas biológicos y electrónicos. Por ejemplo, los dispositivos bioelectrónicos pueden utilizarse para crear biosensores capaces de detectar diversas biomoléculas, agentes patógenos o factores ambientales con gran sensibilidad y especificidad. Los dispositivos bioelectrónicos también pueden utilizarse para crear bioactuadores capaces de generar productos mecánicos, eléctricos o químicos en respuesta a estímulos externos. Además, los dispositivos bioelectrónicos pueden permitir la implantación de sistemas de bioinformática y biocomunicación capaces de realizar complejos procesos y transmisiones de información utilizando componentes y principios biológicos.
• Sociedad: Los dispositivos bioelectrónicos pueden tener implicaciones significativas para diversos aspectos de la sociedad y la vida humana, como la salud, el medio ambiente, la seguridad y la ética. Por ejemplo, los dispositivos bioelectrónicos pueden utilizarse para crear implantes biomédicos y prótesis capaces de restaurar o mejorar las funciones de partes del cuerpo dañadas o ausentes, como implantes cocleares, marcapasos o interfaces neuronales. Los dispositivos bioelectrónicos también pueden utilizarse para crear dispositivos bioenergéticos capaces de recoger y almacenar energía de fuentes biológicas, como la glucosa, el ATP o la fotosíntesis. Sin embargo, los dispositivos bioelectrónicos también plantean algunos riesgos y retos, como la biocompatibilidad, la bioseguridad, la bioprotección y la bioética, que deben estudiarse y regularse cuidadosamente.

Preguntas Frecuentes