Un biosensor de IA facilita la detección de enfermedades neurodegenerativas

Un nuevo biosensor que combina varias tecnologías está dando un importante paso adelante en el diagnóstico de enfermedades neurodegenerativas como el Parkinson y el Alzheimer. Denominado ImmunoSEIRA por sus creadores, investigadores de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) en Suiza, el dispositivo permite detectar e identificar biomarcadores proteínicos asociados a estas enfermedades.

El tratamiento de las enfermedades neurodegenerativas se enfrenta a un gran reto debido a la falta de métodos de diagnóstico eficaces para la detección precoz y el seguimiento de la progresión de la enfermedad. El mal plegamiento de proteínas, un mecanismo común en la neurodegeneración, se ha identificado como un acontecimiento importante en la progresión de la enfermedad. Se supone que las proteínas sanas degeneran primero en oligómeros en las primeras fases y en fibrillas en fases posteriores de la enfermedad. Estos agregados de proteínas mal plegadas circulan por el cerebro y los biofluidos y también se acumulan como depósitos en el cerebro de personas fallecidas con enfermedades neurodegenerativas. Sin embargo, el desarrollo de herramientas para detectar estos signos reveladores de la enfermedad, conocidos como biomarcadores, ha sido hasta ahora tímido. Los obstáculos para una detección precisa son múltiples, entre ellos las limitaciones tecnológicas para separar y cuantificar con precisión los distintos agregados proteicos.

La investigación de la EPFL, publicada en Science Advances, se basó en la Inteligencia Artificial (IA), empleando redes neuronales para cuantificar las etapas y la progresión de las enfermedades. Según los investigadores, este avance tecnológico es prometedor no solo para la detección precoz y el seguimiento, sino también para evaluar las opciones de tratamiento en las distintas fases de progresión de las enfermedades neurodegenerativas.

Para crear este biosensor, los investigadores del Laboratorio de Sistemas Bionanofotónicos y del Laboratorio de Neurobiología Molecular y Neuroproteómica combinaron varios campos de la ciencia, desde la bioquímica de proteínas y la optofluídica hasta la nanotecnología y la IA. “A diferencia de los enfoques bioquímicos actuales, que se basan en la medición de los niveles de estas moléculas, nuestro planteamiento se centra en la detección de estructuras anómalas. Esta tecnología también nos permite diferenciar los niveles de las dos principales formas anormales implicadas en el desarrollo y la progresión de las enfermedades neurodegenerativas, los oligómeros y las fibras”, explica el profesor Hilal Lashuel, del segundo laboratorio implicado en el estudio.

El biosensor ImmunoSEIRA emplea una tecnología denominada espectroscopia de absorción infrarroja mejorada en superficie (SEIRA). Este método permite detectar y analizar las formas de biomarcadores asociadas a enfermedades neurodegenerativas. El sensor utiliza un inmunoensayo único que actúa como detective molecular, identificando y captando estos biomarcadores con gran precisión.

El sensor ImmunoSEIRA presenta disposiciones de oro con anticuerpos para la detección de proteínas específicas. Permite la captura específica en tiempo real y el análisis estructural de biomarcadores diana en muestras extremadamente pequeñas. A continuación, se emplean redes neuronales para identificar la presencia de formas específicas de proteínas mal plegadas, agregados oligoméricos y fibrilares, con lo que se consigue un nivel de precisión en la detección sin precedentes a medida que avanzan las enfermedades. Lashuel cree que se trata de un avance significativo en la detección de estas enfermedades.

“Dado que el proceso de la enfermedad está fuertemente asociado a cambios en la estructura de las proteínas, creemos que los biomarcadores estructurales, especialmente cuando se integran con otros biomarcadores bioquímicos y de neurodegeneración, pueden allanar el camino para un diagnóstico más preciso y el seguimiento de la progresión de la enfermedad”, subraya Lashuel.

El equipo de investigación fue un paso más allá y demostró que el biosensor ImmunoSEIRA puede utilizarse en entornos clínicos reales, es decir, en biofluidos. Fue posible identificar con precisión la firma específica de fibrillas anormales, un importante indicador de enfermedades neurodegenerativas, incluso en fluidos complejos como el líquido cefalorraquídeo humano. La siguiente fase de esta nueva tecnología consistirá en seguir ampliando sus capacidades y evaluar su potencial diagnóstico en la enfermedad de Parkinson y en el creciente número de enfermedades causadas por el plegamiento y la agregación de proteínas.

Biosensor multiuso

Por otro lado, científicos de la UC Santa Cruz presentaron biosensores basados en chips que permiten que un único dispositivo realice múltiples pruebas médicas simultáneamente sobre distintas biomoléculas, incluso a concentraciones muy diferentes. La solución utiliza el aprendizaje automático para reconocer partículas con gran precisión, lo que permite analizar los datos en tiempo real.

Se han aplicado nuevas técnicas de procesamiento de señales a un biosensor basado en un chip optofluídico para detectar de forma continua la fluorescencia de una mezcla de nanoesferas en concentraciones superiores a ocho órdenes de magnitud (de atmolar a nanomolar). Esto amplía en más de 10.000 veces el rango de concentración en el que pueden funcionar estos sensores, explica un artículo publicado en el sitio web SciTechDaily.

Los investigadores también aplicaron un algoritmo extremadamente rápido para identificar señales de partículas individuales a bajas concentraciones en tiempo real. El aprendizaje automático ayudó a reconocer patrones de señales para poder distinguir los distintos tipos de partículas con gran precisión.