Biochip

Los biochips surgen de la conver-gencia entre disciplinas cientfi-cas aparentemente muy distintas: dela unin de las tcnicas de la biotec-nologa y de las tcnicas de la infor-mtica naci la bioinformtica y,con ella, los biochips.

Actualmente, el trmino de bio-chip est tratando de encontrar sucorrecta significacin en el mbitocientfico y tecnolgico, ya que,

en ocasiones, con l se designandistintos dispositivos con aplica-ciones diversas tanto en el campode la biologa como en el de lainformtica.

Se designan como biochips losbiodispositivos electrnicos conaplicaciones directas sobre los seresvivos, como los implantes de chipspara controlar los temblores de losenfermos del Parkinson.

En el campo de la biocomputacintambin se utiliza el trmino biochip,puesto que se emplean sustancias bio-lgicas con la finalidad de desarrollarun nuevo hardware para procesoscomputacionales, tiles para los estu-dios de conformaciones proteicas yde la computacin del ADN.

Finalmente, en el campo de labiologa molecular se designancomo biochips unos pequeos dis-

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Biochips, herramienta del futuro en el mundo de la salud

SANDRA TORRADESBiloga.

Los biochips son pequeos dispositivos, similares a los microchips de las computadoras, que presentan una amplia variedad de aplicaciones

en el campo de la biologa y la medicina. Al igual que sucede con lasmicrocomputadoras, que son capaces de realizar millones de operaciones

matemticas en segundos, algunos biochips son capaces de realizar o analizar millones de reacciones biolgicas, tambin en cuestin

de segundos.

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positivos que contienen materialbiolgico y que son empleados parael estudio de materiales biolgicosa nivel molecular. El inters de losbiochips en el campo de la biologamolecular empez en varios labora-torios de investigacin, a principiosde los aos noventa, como unaextensin de los mtodos tradicio-nales de hibridacin de materialbiolgico, mejorados mediante tc-nicas informticas, como la roboti-zacin y la miniaturizacin.

As pues, en trminos generales,los biochips son dispositivos en losque se deposita e inmoviliza elmaterial biolgico, ADN o prote-nas, en forma de matriz sobre unasuperficie slida, y en el que serealiza un ensayo de afinidad entreel material inmovilizado, conocidocomo sonda y el material biolgicoque se desea analizar.

De manera sencilla, el Dr. Mar-tn Snchez, del rea de Bioinfor-mtica y Salud Pblica del Institu-to de Salud Carlos III de Madrid,define los biochips como unosdispositivos con mltiples casillasque actan a modo de tubos deensayo individuales y en los que seproduce una reaccin quimicobio-lgica que es el objeto de estudio.

Debido a la extrema miniaturiza-cin del sistema, el nmero deestas casillas del biochip es muyelevado, llegando incluso a los cen-tenares de miles. Mediante estatcnica se puede obtener una grancantidad de datos e informacin enun tiempo muy breve puesto quepermite analizar mltiples mues-tras biolgicas simultneamente.

Antecedentes

En los aos sesenta, el desarrollo delos primeros ensayos inmunolgi-

cos de afinidad con antgenos oanticuerpos inmovilizados sobresoportes slidos constituyeron labase terica a partir de la cual sedesarrollaron los primeros biochips.

En la dcada siguiente, EdwinSouthern empez a utilizar filtrosde nitrocelulosa para que actuasencomo soporte slido para la adhe-sin de molculas de ADN. ElADN inmovilizado no interaccio-na con las otras molculas deADN inmovilizadas, pero mantie-ne su capacidad de hibridar conmolculas complementarias ensolucin. Mediante una autorra-diografa se podrn detectar lasmolculas inmovilizadas marcadasradiactivamente. Actualmente,esta tcnica, que recibe el nombrede Southern Blot, se ha extendidoal anlisis de protenas y de ARN.

A partir de esta tcnica se cons-truyeron matrices de material bio-lgico inmovilizado empleandosuperficies porosas como membra-nas de nitrocelulosa o nylon.

Posteriormente se empez a uti-lizar soportes slidos como elvidrio y el silicio. Paralelamentecon el desarrollo de las tcnicasinformticas de miniaturizacin seconsigui disminuir el tamao delos puntos de material depositadosobre estas superficies, consiguien-do aumentar de forma espectacularla densidad de integracin de estasmatrices dando origen al desarrollode los biochips, conocidos tambincomo microarrays (micromatrices).

A finales de los aos ochenta, losinvestigadores de una compaallamada Affymax que trabajabanen las sntesis sobre superficiesslidas de pptidos crearon la pla-taforma GeneChip (desarrolladaposteriormente por la compaaAffymetrix). La importancia deestas compaas radica en la extra-

ordinaria capacidad de miniaturi-zacin de estas matrices. Usandoesta tecnologa han aparecido nue-vas compaas que han permitidoel desarrollo actual de los biochips.

Hoy da, los biochips se utilizanmayoritariamente en los centros deinvestigacin gentica para elestudio de distintas enfermedadescomo el cncer o enfermedadescardiovasculares, en la industriafarmacutica, para el estudio denuevas dianas teraputicas y, enmenor medida, en el entorno clini-codiagnstico para el estudio deenfermedades con base gentica omicrobiolgica.

Ensayos con biochips

La metodologa fundamental enun ensayo con biochips pasa pordistintas etapas. El primer paso esdisear el biochip, para ello pre-viamente se debe seleccionar elmaterial biolgico que se pretendeanalizar y, en funcin de ste, seseleccionar el tipo y la cantidadde la sonda requerida. Una vezdiseado el biochip, puede serfabricado por el propio investiga-dor en su laboratorio; es lo que sedenomina home-made-chip. No obs-tante, actualmente existen empre-sas especializadas en la fabricacinseriada de biochips para anlisis dedistintas muestras biolgicas.

Seguidamente se procede a lafase de hibridacin. En esta etapase realiza la reaccin de afinidad enla que se hibrida la sonda con lamuestra a analizar. Finalmente, seproceder a la deteccin e identifi-cacin de la muestra, previamentemarcada, que estar unida con lasonda inmovilizada en el biochip.

La potencialidad de este sistemapuede generar, en tiempos muybreves, una gran cantidad de infor-macin, como mutaciones, datosde expresin gnica y cribado defrmacos; todo ello debe ser alma-cenado y analizado mediante tcni-cas de computarizacin. (Si quere-mos analizar la presencia de unamutacin conocida en un determi-nado gen, las sondas utilizadasdebern corresponder a la secuenciacomplementaria de la mutacin.)

Una vez generado el biochip(con una sonda incorporada), se

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Hibridacin de las secuencias del ADN con las sondas inmovilizadas en un soporte slido(Southern E, et al. Molecular interactions on microarrays. Nature Genetics 1999;21:5-9).


pone en contacto con secuenciasdel gen que se desea analizar y quepreviamente han sido marcadasfluorescentemente. Debido a lacapacidad que presenta el ADNpara hibridar las cadenas de lamuestra que presenten comple-mentariedad entre las sondasinmovilizadas en el biochip se uni-rn a ellas. Las dems quedarnlibres en solucin y posteriormen-te sern eliminadas mediante unaserie de lavados.

Dado que se conocen las secuen-cias y posiciones de las sondasempleadas, tras el revelado delbiochip mediante un escner pti-co, se localizarn las cadenas fluo-rescentes correspondientes a lasecuencia del gen de estudio.Mediante un ordenador se analiza-r la informacin procedente delescner y se obtendr el resultadocomo una matriz de puntos dediferentes colores e intensidades,representando dnde y qu canti-dad de la secuencia de ADN anali-zada se ha unido con las sondasconocidas del biochip.

Ventajas de los biochips

Los investigadores ven en estosdispositivos numerosas ventajas,ya que tienen un alto rendimientoy capacidad, baja relacin de coste yeficacia, y alta especificidad y sen-sibilidad. Adems, permiten reali-zar simultneamente numerososensayos utilizando muestras dis-tintas o mltiples ensayos con unanica muestra.

Por un lado, no se precisa elmanejo de radiactividad, tcnicamuy utilizada en el mundo de lainvestigacin, que presenta contra-prestaciones en la salud del inves-tigador.

Por otro lado, no se precisa unplan de gestin de residuos, talcomo ocurre actualmente enmuchos laboratorios de investiga-cin, principalmente debido a lautilizacin de material radiactivo.

Sin embargo, la falta de estanda-rizacin de los procesos y la inver-sin inicial en las infraestructurasnecesarias para llevar a cabo ensa-yos con biochips generan un costemuy elevado que todava es dedifcil amortizacin.

Aplicaciones sanitarias

Son numerosas las aplicaciones delos biochips tanto en el mbito de lainvestigacin bsica como en el dela investigacin clnica, y en unfuturo no muy lejano se espera unagran revolucin en la prctica mdica.

Se pueden utilizar en la tipifica-cin del genoma, en la deteccin demutaciones, en la realizacin de estu-dios toxicolgicos, en el descubri-miento de nuevas dianas teraputi-cas, en la deteccin de patgenos yen el diagnstico y reclasificacin deenfermedades con base gentica.

En el mbito clnico, los bio-chips permitirn la obtencin deinformacin genmica individualy ofrecern la oportunidad de con-seguir un medio de diagnstico,simple, rpido y econmico.

Los biochips ofrecern a los pro-fesionales de la salud la posibilidadde ejercer una medicina ms perso-nalizada y que tome en considera-cin las particularidades genticasde los pacientes, ayudando a selec-cionar el tratamiento ms idneoy, consecuentemente, ms eficaz.Por otro lado, se podr aplicar unamedicina preventiva en la que sepueda tratar algunas enfermedadesincluso antes de que aparezcan losprimeros sntomas.

Asimismo, igual que los nume-rosos avances cientficos que hansurgido durante estos ltimosaos, la utilizacin y aplicacin debiochips requerirn la especializa-cin de los profesionales y se plan-tearn numerosas cuestiones en elmbito legal, tico y social.

Descripcin de algunas aplicaciones Monitorizacin de la expresin de

distintos genes. Se trata de la cuanti-ficacin simultnea de la expresinde un nmero elevado de distintosgenes. Tambin permite compro-bar su patrn de expresin compa-rando su actividad en un tejidosano y uno enfermo.

Deteccin de mutaciones. Permitecomparar las diferencias de lasecuencia de los genes normales ylos genes que presentan algunamutacin que originan una deter-minada enfermedad. Un ejemploprctico es el estudio del cncer: laformacin de un tumor cancerge-no se debe a la acumulacin demutaciones en una sola clula queprovocan que sta prolifere deforma descontrolada. Conocer lacombinacin de estas mutaciones ycmo afectan en un determinadotumor permitir predecir si elpaciente va a responder a un fr-maco o a otro, por lo que podr ser

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Distintos robots para la fabricacin de biochips en serie (Cheung VG, et al. Making and reading microarrays. Nature Genetics 1999;21:15-9).


una herramienta importante para deci-dir el tratamiento ptimo para comba-tir el tumor.

Diagnstico clnico. Los biochipstambin se pueden utilizar para ladeteccin de determinados micro-organismos patgenos. Permitenla identificacin rpida de stosutilizando marcadores genticos(secuencias conocidas de ADN delmicroorganismo) con la finalidadde estudiar los mecanismos deresistencia a los antibiticos, iden-tificacin de cepas, identificacinde nuevas dianas gnicas con valorteraputico y desarrollo de medi-das preventivas frente a determi-nadas enfermedades infecciosas.

Cribado y toxicologa de frmacos.El empleo de los biochips en estecampo permite analizar de formarpida los cambios de expresingnica que se dan durante la admi-nistracin de un frmaco, as comola localizacin de nuevas posiblesdianas teraputicas y los efectostoxicolgicos asociados a ste.

Seguimiento teraputico. Los bio-chips tambin permiten analizar losrasgos genticos que pueden tenerincidencia en la respuesta a unadeterminada terapia. Puesto quecada individuo puede responder deforma distinta ante la terapia con unmismo frmaco, ocasionando distin-tas reacciones adversas, el anlisis

genmico de cada individuo permi-tir analizar cules son los frmacosms ptimos para una terapia exito-sa. Se trata de frmacos a medidadel paciente, que es lo que se conocecomo farmacogenmica.

Medicina preventiva. Con los bio-chips se puede realizar estudios deepidemiologa gentica, puesto queel conocimiento de los rasgos gen-ticos de las poblaciones permitiraconocer la predisposicin a sufrirdeterminadas enfermedades, inclu-so antes de que aparezcan sntomas,permitiendo as una medicina pre-ventiva ms eficaz.

Perspectivas de futuro

Parece que los biochips sern unaherramienta futura fundamental en elmundo de la biologa humana y engeneral en el mundo de la medicina.

El Plan Nacional de Investiga-cin, Desarrollo e Innovacinaprobado por el Consejo de Minis-tros para el perodo 2000-2003 hadestinado a toda la genmica unpresupuesto de unos 700 millonesde pesetas, pero el equipo necesa-rio para que un solo laboratoriofabrique biochips cuesta unos 150millones de pesetas.

Los cuatro laboratorios espaolesms avanzados en el mundo de los

biochips: el Departamento deInmunologa del Centro Nacionalde Biotecnologa, el Centro Nacio-nal de investigaciones Oncolgi-cas, el Institut de Recerca Oncol-gica y el Hospital Clnic de Barce-lona, han formado un consorciopara compartir los gastos de losequipos y materiales necesariospara la fabricacin de stos.

Esto les permitir prescindir delos biochips prefabricados y dise-arlos a su medida en funcin desus lneas de investigacin concen-tradas principalmente en el cncery el sistema inmunitario.

Hasta ahora, una de las principa-les industrias en la fabricacin debiochips, Affymetrix, ha sido laprincipal suministradora de stosen los centros de investigacin bsi-ca y en las grandes empresas farma-cuticas que los utilizan para eldiseo de nuevos frmacos. Pero laamplia perspectiva que se ha abier-to, como el diagnstico gentico,ha hecho que numerosas industriasse hayan interesado en la fabrica-cin de biochips, y no solamenteindustrias farmacuticas, sino quegrandes empresas del mundo de laelectrnica estn tambin desarro-llando sus propios biochips.

Bibliografa general

Brown PO, Botstein D. Exploring thenew world of the genome with DNAmicroarrays. Disponible en: http://www.nature.com/cgi-taf/DynaPage.taf?file=/ng/journal/v21/n1s/full/ng0199supp_33.html [consultado el 26-06-02].

Martn Snchez F. Los biochips: unaherramienta clave en genmica ysalud. Instituto de Salud Carlos III. Dis-ponible en: http://infobiochip.isciii.es/[consultado 26-06-02].

Sampedro J. La industria del ADN tiene pre-parados los biochips que revolucionarnla medicina. Disponible en: http://www.elpais.es/multimedia/sociedad/bio-chip.html [consultado 26-06-02].

Nota

Las figuras de este trabajo han sidotomadas de la version on line de larevista Nature. Disponible en: http://www.nature.com/cgi-taf/DynaPage.taf?file=/ng/journal/v21/n1s/index.html [consultado 3-07-02].

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Modelo de un ensayo con un biochip (Brown PO, Botstein D. Exploring the new world of the genome with DNA microarrays. Nature Genetics 1999;21:33-7).

Muestra de tejido

ADN del tejido

ADN marcado con fluorescenciacADN

mARN

Placa autorr adiogrficaADN matriz Biochip


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