Recientemente en internet una persona abrió en dos una prueba rápida de antígenos covid-19; decepcionado de solo ver dentro un tira reactiva y plásticos, hizo un comentario que desató las redes sociales, algunas respuestas sonaban así: ¿Esperaba ver diminutos alienígenas trabajando al abrir el casillero como en la película de hombres de negro (Figura 1a)?
Todo depende del cristal con que se mira, se puede pensar que el internauta no uso el cristal adecuado y su curiosidad ha sido motivante para tratar de explicar que hay dentro de una prueba rápida de covod-19. Para develar sus secretos, hay que usar el cristal adecuado. En realidad, este biosensor contiene un conjunto de biomoléculas y fenómenos fisicoquímicos trabajando a nuestro favor, y ocultan un nanocosmos producto del desarrollo científico actual.
A pesar de la aparente sencillez del biosensor de covid-19, cuando nos realizamos la prueba, a veces nos preguntamos “¿Por qué es necesario el doloroso proceso de la inserción de hisopo nasofaríngeo y esperar unos minutos?”. La realidad es que diversos fenómenos fisicoquímicos están involucrados en el raspado nasal con el hisopo. Esto es necesario para que el virus o partes de él se transfieran al hisopo a través de un proceso de adsorción, similar a cuando limpiamos una superficie húmeda con una servilleta.
Luego, la secreción nasal (semifluida: sólida/líquida) se extrae en un medio acuoso, generalmente con una solución amortiguadora*, ambos fenómenos dependen de la difusión molecular, que es lenta y dolorosa, cuando de covid-19 se trata. Este extracto puede contener antígenos de covid- 19, dependiendo si el individuo está infectado o no. Así, unas gotas del extracto se depositan en la zona de recepción de la muestra (Figura 1b).
(Foto Figura 1a Arquitectura, partes y eventos fisicoquímicos de prueba rápida de antígenos de COVID-19)
Nanopartículas de oro contribuyen a la detección del virus
Hasta aquí todo es muy cotidiano y sencillo, pero dentro del dispositivo ‘‘diminutos hombrecitos verdes’’ en forma de biomoléculas y fenómenos fisicoquímicos realizan el trabajo de bio-detección (Figura 1b) y una explicación simplificada puede ser la siguiente:
La arquitectura global del biosensor tiene diferentes zonas, una para el depósito de la muestra, generalmente hecha de fibra de vidrio o un material adsorbente (Figura 2), que cuando la muestra tiene antígenos de covid-19 éstos pueden ser detectados. Esta región se conecta a una zona de unión que es parte de la tira reactiva de nitrocelulosa, un material con propiedades cromatográficas adecuadas para realizar la imunocromatografía lateral** que es la técnica analítica en que se basa la prueba.
En la tira están depositados anticuerpos primarios funcionalizado con nanopartículas de oro (NPAu, Au: símbolo químico del oro), estos anticuerpos reconocen específicamente y se unen a los antígenos de covid-19 de la muestra a analizar y siguen su camino a través de la tira reactiva con el antígeno unido.
Luego se encuentra la línea de T (T:test) o de prueba en español, donde el complejo nanopartícula de oro (NPAu)-anticuerpo primario-antígeno covid-19, se unen a anticuerpos secundarios inmovilizados (fijados) en la región T, lo que cambian la estructura conformacional del conjugado (anticuerpo primario-NPAu-antígeno COVID-19-anticuerpo secundario), esto que permite colorear la línea T del sensor indicando la presencia de antígenos de covid-19 en la muestra, la coloración roja se debe a que el oro coloidal adquiere tonos rojos cuando esta en forma de nanopartículas con diámetros entre 5 y 25 nm (Figura 3), al quedar fijado el complejo en la tira reactiva por la presencia del anticuerpo secundario inmovilizado en la zona de la línea T, y al secarse el biosensor por la difusión de la solución amortiguadora a través de la tira (por eso hay que esperar 10 min para que se seque la tira), esta se pinta de rojo porque las nanopartículas precipitan y se concentran junto con el complejo en esa zona del biosensor, mostrando que la reacción inmunoquímica se llevó a cabo adecuadamente.
(Foto Foto Figura 2. Estructura y eventos bio-fisicoquímicos en una prueba positiva de antígenos de covid-19)
Biosensores detectan si el anticuerpo de la prueba sirve
Para verificar que el anticuerpo primario funcionalizado con NPAu es funcional y no perdió su capacidad de reacción, el biosensor tiene una línea de control (zona C), donde se ha fijado una proteína afín o selectiva al anticuerpo de primario que reconoce los antígenos de covid-19, pero que no reaccionaron con los antígenos, estos sigue su camino por difusión molecular hacia la línea de control, donde son capturados por la proteína selectiva al anticuerpo primario, la precipitación y concentración de este complejo (anticuerpo primario-NPAu-proteína) permiten que se coloreé la línea C de manera similar a la coloración ocurrida en la línea T, confirmando así que los elementos del biosensor funcionaron bien.
Posteriormente, la solución sigue su camino por flujo capilar hacia una almohadilla adsorbente que sirve de barrera de contención y soporte de la tira reactiva para mantener la posición horizontal, que es requerida para que la inmunocromatografía lateral y la difusión de la solución con la muestra se lleve adecuadamente. Por ello, cuando una prueba rápida de antígenos para covid-19 no se ha usado y está en su paquete original, no mostrará ninguna banda coloreada (Figura 4a), pero si la prueba se colorea en las líneas T y C, la prueba es positiva (Figura 4b), y es muy probable que la muestra sea de una persona con antígenos de covid-19, dependiendo del tiempo en el que la persona se contagió.
Cuando se depositan en el biosensor las gotas con el extracto nasofaríngeo y no muestran ninguna línea roja (Figura 4c), la prueba es no válida, esto puede deberse a que los reactivos inmunológicos han perdido funcionalidad, tal vez porque los sensores fueron mal fabricados, están caducos, no se manejaron adecuadamente o la muestra no fue extraída adecuadamente. Esto no pasa con frecuencia, porque para fabricar estos biosensores se sigue un aseguramiento de calidad estricto y el personal que realiza la prueba está adecuadamente capacitado; en esos casos la prueba se debe repetir con un biosensor nuevo.
Otro caso es que solo la línea de T se tiña de rojo (Figura 3d), esto indica que la prueba también es no válida, esto puede deberse a que los anticuerpos primarios y/o la proteína de reconocimiento de la línea C perdieron funcionalidad, o la concentración de los anticuerpos primarios en el momento de fabricación no fue adecuada. Esto también es bastante raro, por los estrictos controles de calidad que siguen las industrias farmacéuticas, es probable que la pérdida de funcionalidad se deba a un mal manejo y almacenamiento del sensor, o al tiempo de vida del mismo, aunque esto puede ser improbable porque los dispositivos cuentan con una fecha de caducidad y recomendaciones de temperatura de almacenamiento, en todo caso la prueba se debe repetir.
(Foto Figura 3. Coloración de soluciones de nanopartículas de oro de diferentes tamaños nanométricos)
Si se tiñe de rojo no hay covid-19
El último caso es cuando la prueba es negativa (Figura 4d), y así la línea C se tiñe de rojo, esto indica que el anticuerpo primario que captura los antígenos de covid-19 y la proteína afín al anticuerpo primario funcionan adecuadamente, pero la muestra no contiene antígenos de covid-19, en consecuencia están funcionales, ya que la proteína selectiva a los anticuerpos primarios los están detectando correctamente, entonces solo la línea C se colorea, lo que indica que no se tiene covid-19 o que la carga viral ya no es suficiente para trasmitir la enfermedad.
Aun así, esta prueba rápida debe de usarse con precaución siguiendo las recomendaciones de la Organización Mundial de la Salud y de las instituciones de salud locales, ya que solo es un tamiz cualitativo y preventivo para detectar que personas podrían portar el virus y evitar la difusión masiva de la enfermedad. Así personas asintomáticas pueden ser detectadas principalmente cuando han tenido contacto con un caso confirmado, y los casos activos pueden detectarse rápidamente para su aislamiento y manejo adecuado.
También la prueba ha sido bastante útil para tamizar y disminuir los contagios en empresas, escuelas, deportista, viajes, espectáculos y eventos masivos, entre otros usos. Aun cuando los casos de covid-19 a nivel mundial han disminuido drásticamente, la recomendación actual es mantener sana distancia y aislamiento preventivo de las personas con síntomas evidentes de covid-19.
Pero regresando a la persona que diseccionó la prueba rápida de antígenos esperando ver una maquinaria compleja en su interior, lamentablemente esto no es posible verlo a simple vista ni usando un microscopio de luz, como lo han hecho otros internautas con muestras de alimentos.
(Foto Figura 4. Diferentes resultados de pruebas rápidas de antígenos de covid-19)
Es probable que puedan observar algunos objetos extraños como cabellos, materia sospechosa, y probablemente algunos microrganismos, como lo hizo en su momento uno de los primeros cazadores de microbios, Anton van Leeuwenhoek (1676) con su pequeño microscopio para examinar fibras textiles. Hay que recordar que un microscopio convencional de luz solo puede observar objetos de alrededor de una micra, que es 1000 veces menor a 1 mm.
Para observar virus, proteínas, anticuerpos, antígenos y la superficie donde se llevan a cabo estas reacciones inmunoquímicas y que ocurren a escala nanométrica, molecular y atómica, se requiere de un gran trabajo de preparación de muestras y microscopios de fuerza atómica y electrónicos de alta resolución.
Por ejemplo, el tamaño de los virus ronda cerca de los 100 nm, para observarlos el espesor de la muestra debe de estar en escala nanométrica, para que un haz de electrones de alta potencia (200 kV) los pueda atravesar y observar. La tira reactiva de un biosensor mide unos 3 mm, y eso son 3 millones de nm, así que para observar un virus debemos adelgazar las muestras en millones de veces o dispersarlas en nanopartículas individuales (por ejemplo, un virus), por lo que no podríamos poner un biosensor en un microscopio de luz y observarlos directamente, aun así, hay que marcarlos o teñirlos.
Peor aún, las proteínas, anticuerpos, antígenos y nanopartículas son aún más pequeñas, tienen dimensiones alrededor de los 20 nm o menos y para observarlos se requiere aislarlos y etiquetarlos. Pero los microscopistas actuales sí que han caracterizado adecuadamente estos materiales, a través de microscopios de alta resolución. Los eventos de difusión a nivel atómico y en la interfase, se han podido observar y manipular con microscopios de fuerza atómica y electrónicos de alta resolución, debido a que estas estructuras son del orden de 1 nm o de Angstroms, que es 10,000 millones de veces menor que un metro.
(Foto: Unsplash)
“Nanogente habita en las pruebas de antígenos”
Así, como dijimos al principio, todo depende del cristal con que se mire, el diseccionar una prueba rápida de antígenos y observarla a simple vista, como pretendía hacer el curioso internauta, no nos muestra toda la “nanogente” que habita ahí, ni la maquinaria bioquímica y molecular de este dispositivo. Es como si quisiéramos observar el cosmos nocturno sin el telescopio o instrumento adecuado para ver planetas, estrellas, galaxias u agujeros negros, mucho menos podemos esperar ver desde la tierra hombrecitos verdes de otros planetas haciendo sus cosas de alienígenas, la verdad estamos muy lejos aún.
Es similar a lo pasa en el nanocosmos, y como dijo Richard P. Feynman (1959): Plenty of Room at the Bottom (hay mucho espacio ahí a bajo). Solo después de todo el avance acumulado de la ciencia, podemos observar qué pasa dentro de un nanobiosensor de covid-19, lo cual nos permitió diseñarlo, construirlo, usarlo y explotarlo. La ventaja que tenemos con relación con los astrónomos es que los microscopistas podemos tener aquí en la tierra las muestras para observarlas y manipularlas y ellos no (los estrellas y galaxias están muy lejos), además de que, en proporción, su escala de estudio (1 x 1026m) es inmensamente superior a la del nanocosmos (1x10-10 m), por ello decía Carl Sagan: “Hay más estrellas, que granos de arena de todas las playas del mundo”. Por ello, los actuales logros en astronomía y astrofísica son envidiables y sorprendentes, su beneficio directo a la humanidad aun está por llegar.
Después de la nanodisección de una prueba rápida de antígenos de covid-19, podemos decir, que no hay hombrecitos verdes trabajando dentro (Figura 1a), ni la galaxia que buscaban con ahínco los hombres de negro en casilleros secretos, pero sí, que detrás de un nanobiosensor de covid-19, hay una plétora de mujeres y hombres de batas blancas y de otros colores que trabajaron a lo largo de la historia de la ciencia para su desarrollo. Carl Sagan decía: para hacer una tarta de manzana primero hay que inventar el universo, ahora podemos parafrasearlo y decir: para hacer un nanobiosensor, primero hay integrar y aplicar matemáticas, física, química, medicina, ingeniería, bioquímica, inmunología, biotecnología y nanotecnología.
Glosario
*Solución amortiguadora o buffer. Solución salina generalmente hecha de sales de fosfatos que permiten regular el pH o la acidez de las muestras, es decir cuando la muestra nasofaríngea se disuelve en esta solución no cambia su valor de pH y la mantiene en un pH neutro, esto permite que los reactivos biológicos funcionen adecuadamente.
**Inmunocromatografía lateral. Este concepto contiene dos palabras una compuesta y otra complementaria. Para entenderla la desglosaremos sencillamente, sin meternos mucho a sus raíces griegas o del latín, y usaremos su significando más popular. Inmuno se refiere a la ciencia de la inmunología que en general se encarga de estudiar el sistema inmunológico, para nuestro ejemplo, lo que se refiere a anticuerpos y antígenos. Croma o cromo se refiere a color y grafía a descripción, escritura o representación gráfica. Lateral es por la dirección horizontal en que la solución amortiguadora se difunde por flujo capilar a través de la tira reactiva del biosensor de covid-19 (Figura 1 y 2). Así podemos decir que inmunocromatografía lateral se refiere a una técnica analítica que usa elementos de reconocimientos inmunológicos que podemos ver por su cambio de color en una tira de papel (tira reactiva de nitrocelulosa) y que corre en dirección lateral.
Advertencia: Una prueba rápida de antígenos covid-19 tiene una cantidad ínfima de oro, su extracción es más cara que su valor comercial, porque al ser nanopartículas su concentración es extremadamente baja (menos de un nm gramo), sin valor comercial y contaminada. Personas con fiebre de oro deben abstenerse de recuperarlo, tal vez solo consigan infectarse de covid y sin ningún beneficio económico.