La sangre y los tejidos humanos en general posen un pH levemente alcalino, que es esencial para su correcto funcionamiento, para lo cual, el organismo pone en juego una serie de mecanismos homeostáticos para mantener dichos rangos estables.

Un pH anormal, especialmente muy ácido, se utiliza como marcador de enfermedades de distinta etiología y gravedad como son la fibrosis quística, el Alzheimer, el accidente cerebro vascular (ACV), el artritis reumatoidea, y hasta enfermedades neoplásicas como el cáncer.

Las mediciones actuales de pH

Actualmente, para realizar las mediciones de pH  “in vitro” como “in vivo”, tanto con fines de investigación como de diagnóstico médico, se utilizan sondas fluorescentes, es decir colorantes que brillan en condiciones de pH ácido cuando se activan por la utilización de luz fluorescente.

En el caso de las sondas que son utilizadas en el área de la imagenología diagnóstica, estas son útiles para visualizar algunas estructuras orgánicas como son los vasos sanguíneos y el tracto digestivo, pudiendo ser de gran ayuda a los cirujanos en la eliminación o ablación de tejidos o parte de órganos patológicos,  incluidos los tumores.

Sin embargo, estas sondas adolecen de unas cuantas falencias, causadas por la longitud de onda de la luz que lleva asociada una alta energía, la cual conlleva la activación no sólo de la sonda, sino que también de otras estructuras biológicas. Este fenómeno, denominado autoluminiscencia, dificulta la diferenciación  entre los tejidos en los que se encuentra la sonda y las estructuras  circundantes sanas. Además,  la luz de alta frecuencia y energía asociada, puede incluso dañar las células que marca y ocasionar que el brillo inicial de la sonda se desvanezca, fenómeno que lleva por nombre fotoblanqueo.

La solución a los problemas claves

Para subsanar los problemas de autoluminiscencia y fotoblanqueo se precisa una sonda que utilice una frecuencia y energía más bajas.

El químico de la Michigan Technological University,  Haiying Liu, junto a su equipo de investigación, han desarrollado dos sondas que podrían hacer la detección del pH celular bajo, una misión más fácil, sensible y efectiva.

El estudio fue publicado en ACS Sensors bajo el título “Luminescent Probes for Sensitive Detection of pH Changes in Live Cells through Two Near-Infrared Luminescence Channels”, con fecha 27 de junio 2017.

La inspiración fue hallada en un compuesto fluorescente llamado rodamina, que ha sido utilizado ampliamente en biotecnología, como en la microscopía fluorescente y ensayos de laboratorio que detectan fluorescencia. Pero según el profesor de química, Haiying Liu a cargo del equipo de investigación: «El problema con la rodamina es que puede dañar las células. Necesitábamos una sonda que fuera compatible con los tejidos vivos«.

Para lograr que estas sondas presentaran solubilidad en agua y fueran además biocompatibles y no tóxicas, el equipo diseñó dos sondas en base a un monosacárido usualmente encontrado en las frutas: la manosa, que según explica Liu: «Utilizamos el azúcar para hacer las sondas solubles en agua y menos tóxicas. Eso les ayuda a penetrar las membranas celulares y las hace mucho más amigables.»

El diseño de estas sondas les permite la emisión de fluorescencia tanto en  su exposición al rango infrarrojo cercano y dentro del espectro, pero a energías aún más bajas.

Lo que las hace funcionalmente efectivas, es que estas sondas a un pH inferior a 7.4 presentan estructuras anilladas cerradas, que les confiere la cualidad de ser incoloras y no emitir fluorescencia. Por el contrario, a pH ácidos, presentan una estructura abierta, que incrementa su absorbancia a 714 nm.

Pruebas realizadas con las sondas

Las pruebas que han sido realizadas con ambos espectros de luz han sido muy prometedoras, mostrando las siguientes características:

• Ambas sondas muestran una elevada sensibilidad al pH en las células vivas: es decir que ambas sondas brillan más a medida que va disminuyendo el pH.
• Este efecto se evidenció tanto con fluorescencia convencional (CF), como con la exposición a luminiscencia de conversión de un solo fotón (FUCL).
• Baja citotoxicidad, incluso en elevadas concentraciones.
• Si bien la estructura química de ambas sondas es muy similar, una muestra un mayor grado de sensibilidad al pH en los cultivos celulares.
• Baja interferencia debida a autofluorescencia celular.
• Buena permeabilidad, que le permite traspasar fácilmente las membranas celulares.
• Elevada fotoestabilidad.

Todas estas características las convierten en una excelente herramienta futura para detectar y tratar las peligrosas alteraciones de pH en enfermedades que siguen siendo difíciles de detectar y tratar en la actualidad.