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Juan M.Gienini

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Optica, Fotonica y CoViD-19

Por Thomas M. Baer y Christina E. Baer | 6 de abril de 2020
Origen: Optics & Photonics - traducido por: gienini

 A medida que la pandemia de CoViD-19 se extiende por el mundo, pacientes, técnicos y científicos disponen de instrumentos de análisis molecular de última generación en la lucha contra el SARS-CoV-2. Las tecnologías ópticas y fotónicas integradas en estos instrumentos, como cámaras multiespectrales de alta eficiencia cuántica, diodos láser de luz visible y LED, bolómetros (instrumentos de medición de radiación) infrarrojos, filtros ópticos de banda estrecha y espectrómetros ópticos multiespectrales de banda ancha, tienen un papel esencial en la historia.
 Ya sea en el hospital o en el laboratorio, las tecnologías ópticas hacen posible una detección precoz de personas potencialmente infectadas, un diagnóstico molecular más preciso, un monitoreo fiable de la progresión de la enfermedad e incluso, potencialmente, la desinfección de superficies contaminadas. Nuestra comunidad desarrolló en las últimas décadas unas tecnologías que promueven aplicaciones que van desde telecomunicaciones hasta visión artificial nocturna. Ahora éstas, juegan un papel vital en esta batalla contra el SARS-CoV-2.
 Cribado más seguro
 La detección temprana de pacientes infectados -uno de los principales desafíos de la pandemia de CoViD-19- se complica debido a la gran variabilidad en los síntomas de la enfermedad. La monitorización de la temperatura corporal es la herramienta más utilizada. En circunstancias normales, las mediciones directas de temperatura intra-corporal son la forma más precisa de monitorizar la fiebre; mas, dada la patogenecis del SARS-CoV-2, la opción remota sin contacto, con cámaras infrarrojas obtienen imágenes y miden simultáneamente grupos de individuos con una significativa ventaja en seguridad.
 Los médicos ahora confían en termómetros infrarrojos y miden la temperatura de la frente. Estos dispositivos termométricos de imagen y medición puntual proporcionan al personal médico un muestro más seguro y rápido. Estos termómetros se basan en detectores únicos (un conjunto de microbolómetros) basados en MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems). Estos detectores de diodos semiconductores, sensores térmicos sensibles a la banda del infrarrojo lejano (8 a 14 µm) detectan las intensidades de radiación en la temperatura corporal.


Diagnóstico molecular

Instrumento de RT-PCR (Reverse Transcription Polymerase Chain Reaction) de Cepheid para consultorio médico
En la reacción en cadena de polimerasa en tiempo real "TaqMan", una molécula sonda de ácido nucleico, marcada con una molécula fluorescente y un inhibidor que la acompaña, se une al tramo de ADN o ARN que se copia. Con cada ronda de amplificación, la molécula fluorescente se libera en la solución tampón y se separa del inhibidor, lo que permite detectar la amplificación de la secuencia genética objetivo, como una del SARS-CoV-2, mediante fluorescencia en tiempo real
 Si un paciente presenta fiebre u otros síntomas típicos de infección viral (dolor de garganta, tos seca, dolor muscular y fatiga), el siguiente paso es una prueba de diagnóstico molecular. Esta monitorización, basada en una técnica llamada reacción en cadena de la polimerasa de transcripción inversa en tiempo real (RT-PCR: Reverse Transcription Polymerase Chain Reaction), utiliza métodos espectroscópicos sensibles para detectar cantidades extremadamente pequeñas del material genético viral en el hisopo nasal o bucal del paciente. Y una vez más, la tecnología óptica es un componente esencial para la detección de enfermedades.
 El procedimiento de diagnóstico requiere un procesamiento de muestra significativo, comenzando con una muestra recolectada de un paciente. La RT-PCR en tiempo real funciona copiando secuencias específicas de ácido nucleico dentro de esa muestra, utilizando sondas (cebadores de ácido nucleico) que se unen selectivamente a las secuencias de ARN presentes en el virus SARS-CoV-2. Las sondas están marcadas con moléculas de tinte fluorescente.
 Las enzimas se usan para copiar las secuencias de ácido nucleico unidas a las sondas. La muestra se cicla térmicamente aproximadamente 40 veces entre 37 ° C y 95 ° C. Si las secuencias de ácido nucleico diana están presentes, se amplifican dos veces con cada ciclo.
 Es la tecnología óptica que pone el "tiempo real" en RT-PCR. A medida que las enzimas de amplificación crean copias duplicadas, las moléculas fluorescentes se liberan en la solución tampón. La fluorescencia general se mide en tiempo real después de cada ciclo, aumentando a medida que aumenta el número de amplificaciones para muestras positivas. Al medir la acumulación de intensidad durante el ciclo térmico, se detecta el virus y se puede estimar la cantidad de virus presente (la carga viral).
 Los instrumentos RT-PCR en tiempo real emplean diodos láser o LED visibles de banda estrecha como fuentes de excitación y diodos semiconductores o fotomultiplicadores con filtros ópticos de paso de banda estrecha para la detección. Estos instrumentos están completamente automatizados y, por lo general, pueden procesar 96 o 384 muestras en paralelo en menos de una hora.
 La RT-PCR en tiempo real es una de las técnicas de análisis molecular más sensibles y específicas disponibles en la actualidad. Este ensayo es crucial para rastrear y controlar la propagación de CoViD-19. Sin embargo, la sensibilidad general del método puede verse limitada por la eficiencia del proceso de recolección y preparación de muestras. La cantidad de virus presente en el tejido muestreado, que varía entre individuos y a medida que la enfermedad progresa en cada paciente, también puede ser un factor limitante.
 La tasa de falsos negativos de este enfoque se estima actualmente en aproximadamente el 30%. Las pruebas repetidas pueden reducir este porcentaje ciertamente significativo, por lo que muchos hospitales requieren dos o tres pruebas de RT-PCR negativas en tiempo real secuenciales después de que un paciente se haya recuperado antes de que ese paciente sea clasificado como no infeccioso.
 Seguimiento de la progresión de la enfermedad
 Además del diagnóstico molecular, la obtención de imágenes de los pulmones de pacientes con CoViD-19 también ha demostrado ser muy sensible para detectar la infección por SARS-CoV-2 mediante tomografía computarizada (TC) de alta resolución. Los médicos buscan signos de daño pulmonar como lo demuestran los patrones de "vidrio esmerilado" en el tejido pulmonar o la acumulación de líquido como signos de neumonía. Las clínicas en China han informado que este enfoque puede detectar un número significativo de individuos infectados que tienen lecturas negativas de RT-PCR, solo que es más adelante en la progresión de la enfermedad, una vez que se manifiesta el daño pulmonar.
 Si a un paciente se le diagnostica CoViD-19, la progresión de la enfermedad se monitoriza (la función respiratoria) utilizando un medidor de saturación de oxígeno, midiendo el porcentaje de hemoglobina oxigenada en sangre. A medida que la enfermedad progresa, la respiración puede volverse difícil, causando una reducción de hemoglobina oxigenada; si el nivel cae por debajo de cierto umbral, se justificará el uso de oxígeno o ventilador.
 Los dispositivos de medición de saturación de oxígeno usan dos LED que emiten en longitudes de onda de 665nm y 894nm. El porcentaje de saturación de oxígeno se mide a partir de la relación de absorción en esas longitudes de onda. Estos dispositivos alimentados por batería se ajustan cómodamente en un dedo de la mano o del pie, proporcionando mediciones en tiempo real de los niveles de saturación de oxígeno.

Medición de inmunidad: ELISA

Instrumento ELISA de placa de 96 pocillos de muestra
Esquema de ELISA, que mide la presencia de anticuerpos específicos en una muestra de paciente CoViD-19. La técnica se basa en un cambio colorimétrico en la muestra generado por una enzima unida a anticuerpos específicos del virus SARS-CoV-2
 Los instrumentos ópticos también se utilizan para evaluar si una persona ha estado expuesta al virus SARS-CoV-2 y ha desarrollado una respuesta inmune. Estos instrumentos, que pueden automatizarse para analizar cientos de miles de muestras por día, utilizan una técnica llamada Ensayo de inmunosorbente ligado a enzimas (ELISA: Enzyme-Linked Immunosorbent Assay) para medir la presencia de anticuerpos específicos del virus SARS-CoV-2 en la muestra de suero en sangre del paciente.
 En un ensayo típico, un antígeno encontrado en la superficie del virus se inmoviliza en el fondo de un pocillo de muestra, que es ópticamente transparente. Los anticuerpos en la muestra de suero se unen a una enzima (típicamente peroxidasa de rábano picante/horseradish) y se dejan incubar en la superficie que contiene el antígeno inmovilizado. Cualquier anticuerpo específico para el antígeno SARS-CoV-2 se une al objetivo y queda inmovilizado en la superficie de la ventana óptica. Los anticuerpos no específicos no unidos se eliminan por lavado.
 Luego se agrega a la muestra una solución que contiene el sustrato de la enzima con un indicador colorimétrico, y la enzima unida al anticuerpo reacciona con el sustrato, produciendo un cambio de color en la muestra. La enzima reacciona con múltiples moléculas de sustrato, amplificando así la señal. Los anticuerpos contra el SARS-CoV-2 en el suero sanguíneo se pueden detectar y cuantificar a través de imágenes multiespectrales del indicador de fluorescencia o absorción del sustrato de muestra.
 Este enfoque se utiliza para medir la extensión de la propagación del virus dentro de una comunidad, incluso después de que haya pasado la pandemia; para medir la duración de la respuesta inmune de un individuo, investigar la eficacia de los candidatos a fármacos antivirales y posibles vacunas. Actualmente, los trabajadores médicos que se han recuperado de CoViD-19 y tienen una respuesta inmune protectora al virus están siendo identificados mediante un ELISA. Una vez que se confirma la inmunidad, este personal reanuda de manera segura el trabajo con pacientes infectados, un enfoque común en la medicina pandémica.
 Hacia las vacunas y la esterilización.
 Los dispositivos ópticos también forman la tecnología central para los instrumentos de secuenciación de genes de alto rendimiento más comunes. Por lo general, usan cámaras multiespectrales de alta eficiencia y alta resolución para mapear las secuencias de cientos de millones de moléculas de ADN objetivo simultáneamente y pueden secuenciar el genoma completo del virus SARS-CoV-2 en solo unas pocas horas. Las secuencias genéticas del virus pueden variar según la ubicación, ya que el virus SARS-CoV-2 ocasionalmente muta durante su fase de replicación. Las infecciones en regiones geográficas separadas se pueden comparar, y se pueden rastrear los orígenes de las infecciones, comparando las mutaciones específicas en muestras tomadas de pacientes en diferentes lugares.
 La secuenciación de alto rendimiento del genoma del virus también puede determinar las proteínas en el virus e identificar objetivos adecuados para las vacunas sintéticas que estimularán de manera segura la respuesta inmune. Esta tecnología ha mejorado enormemente en los últimos 20 años, en gran parte debido al proyecto del genoma humano, y será una herramienta esencial para desarrollar vacunas y medicamentos antivirales efectivos para combatir la pandemia de CoViD-19.
 
Prototipo de un sistema de esterilización LED que está siendo probado por Bolb Inc.
 Más allá del laboratorio de biología molecular, la óptica está emergiendo como un arma en otro frente vital: la esterilización de superficies. La mayoría de los virus y bacterias son muy sensibles a la luz ultravioleta, particularmente en la región espectral UV-C (200-280 nm), lo que causa mutaciones en el ARN que es esencial para la replicación viral. Recientemente, se ha avanzado mucho en el desarrollo de LED UV que emiten en esta región. Se han desarrollado conjuntos de LED que emiten cientos de milivatios con una vida útil de más de 1000 horas y una eficiencia eléctrica de alrededor del 10%.
 Las matrices de estos diodos pueden generar niveles significativos de energía UV para descontaminar potencialmente ciertas superficies de manera más eficiente que los reactivos químicos. Los resultados de laboratorio recientes indican que los tiempos de exposición de aproximadamente 1 minuto fueron suficientes para matar bacterias y virus con un dispositivo de potencia promedio de 1 W ubicado a aproximadamente 1 metro por encima de una superficie contaminada. Se están realizando pruebas adicionales sobre la eficacia de los LED UV para descontaminar superficies infectadas con el virus SARS-CoV-2.
 Necesidades futuras
 A medida que la salud mundial se enfrenta a esta novedosa y mortal amenaza, los laboratorios de todo el mundo utilizan tecnologías desarrolladas por la comunidad de óptica y fotónica para ayudar a detener la propagación de la pandemia y salvar vidas. En el futuro cercano, a medida que el distanciamiento social comience a frenar la propagación de la enfermedad de CoViD-19, el enfoque médico cambiará a la detección temprana y el aislamiento de la recurrencia de CoViD-19 en puntos clave, lo que presentará nuevos desafíos para las tecnologías de diagnóstico y descontaminación. Estos desafíos representan nuevas oportunidades para las tecnologías ópticas y fotónicas, con sus ventajas de bajo costo, alta velocidad, sensibilidad y especificidad, para realizar importantes contribuciones a la salud global. OPN
 
 Thomas M. Baer (tmbaer@stanford.edu - presidente de OSA 2009) trabaja en la Universidad de Stanford, EE. UU.
 Christina E. Baer trabaja en la Facultad de medicina de la Universidad de Massachusetts, EE. UU.

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