Itene trabaja en nuevas tecnologías de monitorización de agentes químicos y biológicos en ambientes industriales, urbanos y/o hospitalarios

La actual pandemia del COVID-19 ha ocasionado un cambio de mentalidad en la sociedad acerca de los posibles riesgos biológicos que pueden suceder principalmente en espacios interiores. Cabe destacar que desde el año 2000, y solamente en los 21 años de siglo que llevamos, ya han se han producido varias epidemias (SARS, MERS, ébola, etc.) y una pandemia (SARS-CoV-2), los cuales se han debido principalmente al incremento en la movilidad y a los efectos del cambio climático.

En este escenario, en el área tecnológica de Seguridad, Salud y Tecnologías de Monitorización Ambiental de Itene trabajamos en nuevas tecnologías de monitorización de agentes químicos y biológicos en ambientes industriales, urbanos y/o hospitalarios, incluyendo nuevos sistemas para la detección y muestreo de agentes biológicos (bacterias, virus y hongos), material particulado, compuestos volátiles o gases en aire, dispositivos para la detección de patógenos en agua o superficies, o sistemas de alta sensibilidad para la detección de agentes químicos o biológicos de interés en matrices alimentarias.

El muestreo y detección de contaminantes, tanto agentes patógenos de origen biológico como agentes químicos procedentes de la actividad industrial y urbana, se han convertido en una prioridad, acelerada más si cabe por la pandemia originada por el virus SARS-CoV-2, el reciente compromiso de la comunidad internacional por la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero y la necesidad de velar por seguridad de los trabajadores, especialmente en el caso de compuestos cancerígenos y nuevos materiales como las nanopartículas.

Es por ello por lo que trabajamos en el desarrollo de tecnologías avanzadas de monitorización de los principales agentes químicos y biológicos, considerando desde el inicio la adecuación de los desarrollos a las problemáticas del tejido industrial y los retos de la sociedad. A este respecto, estamos inmersos en el desarrollo y validación equipos para la monitorización de agentes químicos (partículas y gases) y bioaerosoles, considerando sistemas de alta sensibilidad y especificidad para la detección de gases como metano y CO₂, nanopartículas y patógenos oportunistas como el hongo Aspergillus spp, causante de infecciones respiratorias en ambientes hospitalarios, o el propio SARS-CoV-2, causante de la COVID-19.

Además de contaminantes en aire, estamos desarrollando sistemas para para la detección de patógenos en superficies, como por ejemplo el caso de la bacteria Listeria monocytogenes, causante de graves infecciones derivadas del consumo de alimentos contaminados y que a su vez puedes suponer un foco de exposición para los trabajadores del sector alimentario.

Los tipos de bioaerosoles más comunes incluyen microorganismos (ver tabla) como los virus, bacterias u hongos, fragmentos de estos, esporas o metabolitos, como es el caso de las micotoxinas.

La principal vía de transmisión es habitualmente la vía respiratoria, derivada de la manipulación directa de agentes biológicos o de la exposición indirecta en actividades donde no existe una manipulación deliberada, como es el caso de plantas de tratamiento de residuos, instalaciones de tratamiento de aguas residuales, o áreas de procesado de alimentos. La determinación de la presencia de agentes biológicos es todavía hoy compleja, requiriendo un conocimiento adecuado de la zona de muestreo para determinar dónde y cómo muestrear, además de requerir de técnica analíticas basadas en el crecimiento y conteo posterior de los organismos, aspecto que limita la detección temprana de la presencia de bioaerosoles y la toma de decisiones para la implementación de medidas correctivas.

Desde el punto de vista normativo, existe un marco específico sobre la protección de los trabajadores contra los riesgos relacionados con la exposición a agentes biológicos, destacando la directiva 90/679/CEE y el Real Decreto 664/1997, además de la Ley 31/1995 de Prevención de Riesgos laborales. El Real Decreto 374/2001 normatiza la protección de la salud y seguridad de los trabajadores contra los riesgos relacionados con los agentes químicos durante el trabajo. En este contexto, debe protegerse al trabajador frente a la exposición, debiendo incorporar a la actividad preventiva medios de vigilancia y control que permitan evaluar de forma adecuada los riesgos.

Las tecnologías de biosensado han experimentado un desarrollo notable en los últimos años como consecuencia de la evolución de la biotecnología e integran habitualmente un elemento de reconocimiento biológico —por ejemplo, un anticuerpo, una enzima o un ácido nucleico—, con un sistema de transducción que permite procesar la señal producida en la interacción entre el elemento a detectar ‘analito / patógeno’ y el elemento de reconocimiento. La interacción entre el elemento a detectar, por ejemplo, una molécula especifica presente en la superficie de un microrganismo con el elemento de reconocimiento biológico produce una variación de una o varias propiedades de naturaleza química o física que pueden ser detectadas y convertidas por un transductor en una señal electrónica procesable como información cuantitativa o semicuantitativa.

Existen diversos tipos de biosensores atendiendo a aspectos como el elemento de reconocimiento usado o el sistema de transducción. Este último caso es ampliamente utilizado para la clasificación de los biosensores, catalogándose de este modo como sistemas electroquímicos, ópticos, térmicos, o gravimétricos, entre otros. En la actualidad, los sistemas colorimétricos y ópticos están adquiriendo gran relevancia por su versatilidad y posibilidad escalado e integración con sistemas de muestreo automatizados.

En la siguiente tabla se presentan algunos ejemplos de biosensores y sus principales características:

Cabe mencionar que los aspectos principales para la selección de un bionsensor y su aplicación como alternativas a los actuales métodos analíticos son: sensibilidad y límite de detección (LOD) aceptable para el analito a detectar, selectividad por el analito y rango de funcionamiento, reversibilidad, tiempo de respuesta, vida operacional ‘durabilidad’ y costes. En aquellos casos donde se cumplen tales criterios, los biosensores tienen el potencial de proporcionar un análisis/detección rápido, y directo del patógeno que permite una rápida supervisión de puntos de control significativos en los escenarios de interés.

Son numerosos los ejemplos actuales de sistemas biosensores validados con todo tipo de patógenos, sin embargo, la estabilidad de los elementos de reconocimiento biológico y los límites de detección (LOD) deben todavía mejorarse para su aplicación masiva en el mercado, especialmente en el caso de los patógenos presentes en aire, cuya concentración se encuentra en el arco del femtogramo al nanogramo por m³ de aire (de 10^-15 a 10^-9 gramos/m³), como es el caso del virus SARS-CoV-2, con concentraciones estimadas entre 6 y 74 unidades de virus viable por cada litro (6.000 y 74.000 copias/m³) basándonos en datos publicados en investigaciones recientes (Lednicky JA, 2020). A este respecto y con el fin de abordar mejoras en la sensibilidad y bioselectividad, el uso de nanomateriales (ej.: nanopartículas metálicas, puntos cuánticos, grafeno o nanohilos) en el desarrollo de los sistemas de transducción y componentes de biorreconocimiento constituyen una herramienta prometedora.

Nuestros desarrollos tecnológicos en biosensores se han basado en estos criterios, lo cual nos ha llevado a desarrollar un nuevo dispositivo de detección de la presencia de SARS-CoV-2 en aire, basado en sistemas de reconocimiento biológico de moléculas presentes en la cápside del virus, e integrado con sistemas SMART de lectura e interpretación de señal que nos permiten detectar la presencia de partículas virales en aire y superficies, así como nuevos sistemas para la detección de dianas moleculares especificas presentes bacterias, hongos y virus, basadas en el empleo de nanopartículas, las cuales nos permiten alcanzar LOD adecuados y tiempos muy cortos.

Los sensores desarrollados por Itene, de base electroquímica y óptica, están siendo implementados sobre sistemas automatizados de toma muestra, permitiendo el desarrollo de dispositivos plug & play. Como aspecto a destacar, estamos diseñando e integrando sistemas de pretratamiento y concentración de muestra de alta eficiencia para superar las barreras actuales relativas a los límites de detección y escalado industrial con el fin de promover la transferencia de tecnología.

En el caso específico de la exposición a gases y partículas, desde Itene realizamos campañas de evaluación de riesgos de exposición a agentes químicos. Para ello utilizamos metodologías que permiten evaluar la exposición por inhalación a los mismos, como son las metodologías cualitativas y cuantitativas. Dichas metodologías están en constante evolución, ya que la industria cambia tanto en sus procesos industriales como en la incorporación de nuevos materiales. Por ello es importante que desde los institutos tecnológicos como Itene, mediante nuestra labor en I+D, actuemos como facilitadores de la explotación de nuevas tecnologías necesarias para la contribución al desarrollo económico de nuestro entorno.

Los métodos cualitativos son una herramienta complementaria a los métodos cuantitativos. Resultan de interés en los casos en los que el agente químico no tiene establecido un valor límite ambiental, como ocurre con los nanomateriales en España. Estos métodos se basan en la recopilación de los datos relativos a las características fisicoquímicas del agente químico y a la potencial exposición al mismo, para obtener bandas de control que llevan asociadas diferentes medidas de control.

Un aspecto que considerar en la aplicación de este tipo de metodologías, es que para muchos nanomateriales no se dispone de la información toxicológica específica y tampoco de los datos necesarios para determinar la banda de exposición, por lo que los resultados tienden a ser conservadores, asignando niveles de riesgo superiores. Entre las más utilizadas de métodos cualitativas se encuentran los métodos Stoffenmanager (https://nano.stoffenmanager.com/) y el NanoSafer (http://nanosafer.org/).

Por ello, resulta necesario validar estos métodos con las metodologías cuantitativas, que se basan en la determinación de la concentración del agente químico en el lugar de trabajo. Estas mediciones pueden tener diferentes objetivos, como la determinación de la exposición, la identificación de fuentes de emisión de partículas nanométricas, la evaluación de la efectividad de las medidas de control implementadas o la verificación de la conformidad con los valores límite de exposición profesional de acuerdo con la norma UNE-EN 689:2019. En el caso de los nanomateriales, este último objetivo no puede llevarse a cabo debido a que en España no se dispone de límites de exposición profesional aplicables a los mismos.

Asimismo, otra característica a tener en cuenta es que las partículas individuales (primarias) de los nanomateriales tienden a unirse unas con otras dando lugar a aglomerados y agregados de tamaño superior a 100 nm. Por ello, se aconseja que las mediciones de las exposiciones a nanomateriales no solamente se realicen en la escala nanométrica, sino que se amplíe el intervalo de tamaño hasta 10 μm.

Las mediciones de las exposiciones a nanomateriales se pueden realizar con equipos de lectura directa, que proporcionan datos en el momento de la medida. Estos equipos se clasifican, en general, en dos grupos: uno, los equipos portátiles (e.g. CPC, DiSCmini), fáciles de usar, de tamaño y peso reducido y de coste no muy elevado, y el otro, los equipos no portátiles (e.g. SMPS, W-CPC), de mayor complejidad de uso, tamaño y peso y de coste más elevado que los anteriores. Teniendo en cuenta las características de cada uno de los grupos, los equipos portátiles resultan una buena opción en las mediciones de rutina, mientras que los equipos de mayor complejidad de uso están orientados a la investigación.

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