BIOTSENS: Sensores y biosensores nanoestructurados para la detección de patógenos viables y compuestos volátiles en aire, agua y superficies

El proyecto BiOTsens, que ITENE lleva a cabo con el respaldo del IVACE a través de los fondos FEDER, tiene por objetivo la formulación y el prototipado de nuevas soluciones basadas en biosensores y nanoestructuras para la detección temprana de patógenos y compuestos orgánicos volátiles (COVs) en matrices de muestreo de interés en sectores de relevancia en la Comunitat Valenciana.

Contexto

La seguridad alimentaria tiene un gran impacto en toda la cadena de valor de la industria, por lo que su gestión y control resultan clave para ayudar a prevenir, detectar y gestionar los riesgos transmitidos por los alimentos, contribuyendo a garantizar la salud humana. Entre otras bacterias, la Echerichia coli (E.coli) causa infecciones que pueden generar enfermedades relacionadas con los alimentos, que, según la Organización Mundial de la Salud, provocan 2,2 millones de muertes al año. Asimismo, frente a otras bacterias que pueden ocasionar enfermedades de transmisión alimentaria, la Listeria monocytogenes puede sobrevivir y multiplicarse en bajas temperaturas como las registradas en refrigeradores. Esta bacteria puede provocar la Listeriosis, que supone un mayor riesgo para mujeres embarazadas, personas de edad avanzada y pacientes con sistemas inmunitarios debilitados.

Por otra parte, las enfermedades de origen ambiental, como la legionelosis, causada por bacterias del género Legionela, representan otro reto para garantizar la salud de las personas. De hecho, en 2019, se notificaron más de 100.000 casos en la Unión Europea (UE), siendo España uno de los países con un mayor número de casos. Además, se estima que el gasto sanitario derivado de la enfermedad alcanza los 165 millones de euros anualmente en la UE.

Para garantizar la salud humana y prevenir impactos económicos derivados de una afectación a la reputación de una empresa, resulta esencial disponer de herramientas sensibles, eficaces y rápidas para el control de patógenos en los sectores agrícola y alimentario.

Asimismo, las infecciones causadas por gérmenes presentes en el ambiente, como los hongos, han adquirido una gran relevancia en las dos últimas décadas y cada vez son más numerosas en ambientes hospitalarios. Estas patologías son más habituales y problemáticas en personas inmunocomprometidas y presentan un mecanismo de transmisión íntimamente ligado a los sistemas de ingeniería hospitalaria, como son los aires acondicionados o los sistemas de abastecimiento de agua potable. Por ello, la detección temprana de gérmenes en la ambiente resulta clave en la prevención de estas enfermedades. Entre distintos tipos de hongos se encuentran los del género Aspergillus, que son comunes en interiores y exteriores y pueden causar aspergilosis a personas que respiran sus esporas y presentan enfermedades pulmonares o sistemas inmunitarios debilitados.

Adicionalmente, la OMS estima que cada año fallecen 7 millones de personas en todo el mundo debido a enfermedades relacionadas con la contaminación del aire, a la que está expuesta la mayor parte de la población. Entre los contaminantes que pueden estar presentes en la atmósfera se encuentran los COV (compuestos orgánicos volátiles), que pueden afectar de forma grave a la salud por su inhalación y se encuentran presentes en múltiples sectores industriales. Disponer de sensores para monitorizar la presencia de compuestos que puedan afectar a la salud y la calidad del aire resulta esencial para preservarla y cumplir la normativa aplicable a determinadas industrias.

Resumen y objetivos

BiOTsens es un proyecto de investigación y desarrollo de nuevas soluciones tecnológicas para la detección, monitorización e identificación de patógenos y contaminantes con efectos graves sobre la salud humana, incluyendo el control de bacterias de E.coli, Legionela, y Listeria, y la detección en centros hospitalarios de esporas de hongos como Aspergillus. Además, aborda la detección de COV para permitir un control de las emisiones de compuestos que representan graves riesgos para la salud humana y pueden encontrarse en entornos de trabajo.

En concreto, el proyecto se centrará en el análisis y el desarrollo de sistemas de detección de patógenos basados en tecnologías de biodetección, así como de nuevos sistemas nanoestructurados para la detección rápida, específica y a bajo coste de COV.

Para ello, se han definido dos líneas concretas de trabajo que dan continuidad a las investigaciones iniciadas por ITENE en las áreas de nanotecnología, bioanálisis y biodetección, y monitorización ambiental. Estas líneas tecnológicas, relacionadas entre sí, son las siguientes:

Resultados

En el marco del proyecto, ITENE ha trabajado en dos líneas:

LÍNEA 1. Biosensores para la detección de hongos filamentosos, Listeria, E.coli y Legionela

ITENE ha desarrollado un nuevo kit de análisis de bajo coste que permite detectar la presencia de las bacterias viables de Listeria monocytogenes y Escherichia coli en alimentos o superficies que puedan entrar en contacto con ellos y determinar su nivel de concentración. Para ello, se selecciona una muestra alimentaria y se realiza un aislamiento del microorganismo o conjunto de microorganismos en una muestra líquida. Seguidamente, se aplica un medio de detección que cambia de color al detectar la presencia de E. coli (amarillo) y Listeria monocytogenes (azul) y que permite su identificación simultánea a simple vista. Además, el biosensor desarrollado permite determinar la concentración tanto de E. coli como de Listeria monocytogenes al variar la intensidad del color en función de la concentración del patógeno en la muestra.

También ha trabajado en nuevas soluciones para la detección de hongos filamentosos del género Aspergillus en aire, en concreto en bioaerosoles recogidos de muestras de ambientes interiores. Así, se ha llevado a cabo una prueba de concepto para la detección de la presencia de estos hongos y se ha mejorado un sistema de captación de aire desarrollado para este fin.

Adicionalmente, se ha desarrollado y perfeccionado un sistema de detección, captación y filtración de Legionela para determinar su presencia de forma temprana en agua. Este sistema se ha adaptado a la normativa vigente, el Real Decreto 487/2022 por el que se establecen los requisitos sanitarios para la prevención y el control de la legionelosis.

LÍNEA 2. Microsensores para la detección y el muestreo de COVs específicos

En el proyecto también se ha mejorado un sensor de Compuestos Orgánicos Volátiles (COVs) que había sido desarrollado por ITENE previamente para lograr un amplio nivel de detección. Este dispositivo puede emplearse para detectar fugas puntuales y monitorizar gases en tiempo real, además de ofrecer la posibilidad de realizar distintas combinaciones de sensores en el mismo dispositivo, lo que permite su aplicación en ambientes industriales en los que el aire puede contener gases de distinta naturaleza.