Detección de Escherichia coli en alimentos

Resumen ejecutivo.
El Sistema Valenciano de Ciencia y Tecnología cuenta con los agentes clave necesarios en una sociedad desarrollada como la nuestra, sin embargo, pese a contar con una producción científica de primer nivel y unos institutos y grupos de investigación líderes en sus áreas de conocimiento, no se produce la transferencia de este conocimiento a las empresas de la forma que sería de esperar.

Otros agentes del Sistema tales como institutos tecnológicos, asociaciones sectoriales y empresariales, administraciones, no consiguen que todos los agentes implicados actúen e interacciones de la forma que sería necesaria.

La creación de la Agencia Valenciana de la Innovación (AVI) viene a suplir esta carencia de nuestro sistema mediante diferentes actuaciones, cuyo objetivo es conseguir que todas estas entidades se pongan en marcha, se interrelacionen y constituyan un verdadero sistema: un conjunto de elementos
o partes coordinadas que responden a una ley, o que, ordenadamente relacionadas entre sí, contribuyen a determinado objeto o función, que no es otra que fomento de la innovación y el aumento de la competitividad en las empresas de la Comunidad Valenciana.

En el caso que nos ocupa, la creación de Unidades Científicas de Innovación Empresarial (UCIE) en los institutos de investigación más relevantes de la Comunitat Valencia, tiene como objetivo que estos centros de excelencia tengan asociadas unas unidades especializadas en la valorización y transferencia de los resultados de la investigación que en ellos se lleva a cabo.

Así pues, el objetivo principal del proyecto es la creación y puesta en marcha de la Unidad Científica de Innovación Empresarial (UCIE) del Instituto de Tecnología Nanofotónica (NTC) de la UPV. La creación de esta unidad se fundamenta en la extraordinarias capacidades con las que cuenta del instituto NTC para la creación y el desarrollo de nuevos productos, servicios y tecnologías para su posterior transferencia al tejido empresarial.

La visión del NTC apunta a la excelencia en tres áreas: la ciencia, la tecnología y la transferencia y valorización de estas tecnologías para su explotación por parte de las empresas. Desde su inicio, el Instituto NTC ha establecido fuertes relaciones con el entorno socioeconómico a escala local, nacional e internacional, lo que le permiten estar en condiciones de acometer este reto fundamental.

Hasta la fecha, la transferencia de este instituto se ha realizado mediante la contratación directa con empresas o la creación de empresas de base tecnológica. Un buen ejemplo es la empresa spin-off DAS Photonics, primera spin off de la UPV y un éxito tanto empresarial como en reconocimiento  internacional. La creación de la UCIE del Instituto NTC permitirá el desarrollo de tecnologías que de otro modo se quedarían únicamente como resultados de proyectos de investigación o capacidades no explotadas suficientemente.

Durante los meses transcurridos entre la firma del convenio de colaboración entre la AVI y la UPV, en octubre de 2018, el proyecto de creación de la UCIE del Instituto NTC es toda una realidad. Se ha procedido a la asignación y adecuación de espacios para el personal contratado con cargo al proyecto, la dotación de laboratorios y la contratación y asignación al proyecto del personal necesario para la puesta en marcha de las actividades previstas en la memoria técnica del proyecto, que se expondrán en apartados posteriores de esta memoria.

En la anualidad 2018, se han puesto en marcha, según lo previsto, tres sub proyectos de desarrollo tecnológico y valorización de tecnologías disponibles en el Instituto NTC. Debido al retraso en el inicio de los trabajos, el grado de maduración de los tres proyectos ha sido diferente, como se expondrá a continuación, aunque se puede asegurar que, en conjunto, el resultado ha sido muy satisfactorio.

Los tres sub proyectos consistían en desarrollos conjuntos con otros tantos institutos tecnológicos, en concreto con AINIA (Instituto Tecnológico de la Industria Agroalimentaria), el Instituto de Investigación Sanitaria INCLIVA y AIMPLAS (Instituto Tecnológico del Plástico). En este último caso, se ha producido una modificación del programa previsto, ya que se ha considerado beneficioso para el proyecto que la aplicación de una de las tecnologías disponibles en el Instituto NTC se realice para un fin específico no previsto inicialmente.

Objeto y finalidad del proyecto.
Como se ha expuesto en el resumen ejecutivo, el objetivo fundamental del proyecto, la creación y constitución de la UCIE del Instituto NTC de la UPV se ha realizado con éxito. Para ello, se ha incorporado como Coordinador de la UCIE al Director del Instituto NTC, catedrático de universidad, D. Javier Martí Sendra. Se han incorporado igualmente, en calidad de asesores del proyecto, los catedráticos de universidad D. Roberto Llorente Sáez y D. Pablo Sanchis Kilders y el profesor titular de universidad D. Jaime García Rupérez.

Para la realización de las actividades previstas en el proyecto se ha cedido por parte del Instituto NTC una sala de personal situada en la 2ª planta del Edificio 8F, sede del Instituto en la UPV, un laboratorio de caracterización biofotónica situado en la 1ª planta del mismo edificio, así como una parte del laboratorio de caracterización de acceso y redes ópticas, situado en la misma planta.

Como responsables de proyecto, se ha procedido a la contratación del Doctor en Ciencias Químicas D. David Ortíz de Zárate, para el proyecto en colaboración con AINIA, al Ingeniero Químico D. Juan Hurtado Montañés, para el proyecto en colaboración con INCLIVA y al Doctor Ingeniero Electrónico D. Salvador Ponce Alcántara, para el proyecto en colaboración con AIMPLAS.

Para la ejecución de las tareas de micro y nano fabricación se ha asignado al proyecto el personal del Instituto NTC con experiencia en sala blanca, D. José Ayucar Ruiz, D. Alfredo Peñarrubia Blasco y D. Laurent Belieres y el responsable en programación y control D. Saturnino Castillo Oñate. Se ha incorporado al proyecto en colaboración con el Instituto AIMPLAS a D. Pablo González Santatecla.

Asimismo se ha incorporado a los proyectos personal necesario para la valorización de las tecnologías desarrolladas en el proyecto, en concreto al Agente de Innovación de la UCIE D. Carlos García Suarez, y a la responsable de IPR Dª Isabel Salas Carmona.
Una vez firmado el convenio de colaboración entre la AVI y la UPV, y bajo la dirección del coordinador de la UCIE se han puesto en marcha las actuaciones que están reflejadas en el anexo técnico del citado convenio, donde se exponen las innovaciones a desarrollar, así como los costes necesarios para su ejecución.

Según el citado convenio, “las innovaciones a desarrollar se harán con la necesaria colaboración de, al menos, dos organismos de investigación o centros tecnológicos que aportarán su experiencia en el desarrollo de tecnología, para focalizar mejor las innovaciones a desarrollar, de manera que lleguen con mayor probabilidad al mercado”. En este caso, se ha contado con la colaboración del Instituto Tecnológico AINIA, el Instituto de Investigación Sanitaria INCLIVA, y en menor medida al Instituto Tecnológico AIMPLAS. El objetivo de las actuaciones será convertir el conocimiento en innovaciones aprovechables por las empresas, así como el despliegue de las acciones necesarias para su transferencia efectiva.

En los apartados siguientes se informa sobre la nanofabricación de guías de onda de silicio y nitruro de silicio para aplicaciones de detección y cuantificación de Escherichia coli en alimentos y la bacteria Acinetobacter, que causa infecciones graves en pacientes hospitalarios inmunodeprimidos.
Por último, se ha diseñado e implementado un sistema de monitorización en tiempo real de diferentes parámetros de calidad del agua para su aplicación en cuencas fluviales.

Detección de bacteria Acinetobacter en orina

Resumen ejecutivo.

Los sensores fotónicos presentan diversas ventajas en comparación con otras tecnologías, tales como alta sensibilidad, alto nivel de integración, menor tiempo de obtención del resultado, detección sin etiquetas, uso de volúmenes de muestras y reactivos muy bajos y su inmunidad a Interferencias  electromagnéticas. Además, la posibilidad de utilizar materiales compatibles con CMOS y procesos de fabricación en masa para alcanzar volúmenes de producción muy altos, y costos muy bajos, es otro aspecto clave del gran potencial de estos dispositivos en su aplicación a biomedicina.

Por otra parte, la alta capacidad de integración de la tecnología fotónica permite su utilización en un gran número de aplicaciones. Como ejemplo, gracias a la selección y caracterización del aptámero Ecoli que se se ha realizado en el proyecto de prevención planteado con AINIA, podría aplicarse para técnicas de diagnóstico en seres humanos. Las infecciones del tracto urinario (UTI – Urinary tract infection) se encuentra entre las infecciones bacterianas más frecuentes. Aproximadamente el 50% de la población mundial es propensa a la infección del tracto urinario en algún momento de su vida.

Aquellos que sufren UTI de modo recurrente tienen una incidencia de más de tres infecciones por año.

Como norma se define UTI como la presencia de síntomas urinarios y una presencia en la orina de 104 ufc/ml o superior de patógenos. La causa más frecuente de UTI es la presencia de E. Coli, seguida de Proteus mirabilis, Pseudomonas aeruginosa, Klebisella pneumoniae y Enterococcus.

Cada año un 10% de las mujeres del mundo contraen UTI, y al menos el 60% lo hará alguna vez en su vida. La recurrencia es frecuente con al menos la mitad de las pacientes recayendo en el año siguiente. La UTI es la causa de la prescripción del 15% de los antibióticos totales, aunque entre el 34 % y el 60% de los pacientes prescritos no tienen una UTI probada microbiológicamente.

El diagnóstico convencional, y más extendido, de UTI basado en cultivos tiene un tiempo de resultados de dos a tres días, con lo que los facultativos tienen que comenzar el tratamiento con antibióticos de amplio espectro, lo que está llevando a la aparición de patógenos resistentes. Es éste un problema de salud de primer orden mundial, ya que la propia Organización Mundial de la Salud ha lanzado en Mayo de 2015 un Plan Acción Global frente a la Resistencia Antimicrobiana, uno de cuyos pilares es la necesidad de desarrollar nuevos kits de diagnóstico rápidos y eficaces que ofrezcan información al médico valiosa para decidir qué antibiótico es más apropiado. La aplicación de sistemas de  dentificación y cuantificación PoC mediante biosensores permitirá superar la situación actual y contribuir a la menor proliferación de resistencias antimicrobianas.

En conversaciones con el Instituto de Investigación Sanitaria INCLIVA, y a la vista del estado avanzado de los resultados obtenidos con el Instituto AINIA, se ha considerado más beneficioso para el proyecto, pese al esfuerzo adicional que supone el no aprovechar parte de los resultados ya obtenidos con la bacteria E.coli, el sensado de otra bacteria resistente a los antibióticos que tenga un valor clínico importante.

Con esta idea se ha decidido conjuntamente abordar la detección de la bacteria Acinotobacter en orina de pacientes. Las acinetobacterias son bacilos aerobios gramnegativos o cocobacilos son omnipresentes y pueden sobrevivir en superficies secas hasta por un mes y generalmente se llevan en la piel de los profesionales de la salud, lo que aumenta la probabilidad de que los pacientes sean colonizados y el equipo médico esté contaminado. Hay muchas especies de Acinetobacter; todos pueden causar enfermedades humanas, pero A. baumannii (AB) representa aproximadamente el 80% de las infecciones.
Las infecciones AB generalmente ocurren en pacientes críticamente enfermos y hospitalizados. Las infecciones adquiridas en la comunidad (principalmente neumonía) son más comunes en climas tropicales. Las tasas de letalidad asociadas con la infección AB son del 19 al 54%.
Recientemente, ha surgido la AB multirresistente (MDR), particularmente en UCI en pacientes inmunodeprimidos, pacientes con trastornos subyacentes graves y pacientes tratados con antibióticos de amplio espectro después de un procedimiento invasivo. La propagación en las UCI se ha atribuido a los profesionales sanitarios colonizados, a los equipos comunes contaminados ya las soluciones nutricionales parenterales contaminadas. Además, el número de infecciones AB resistentes a múltiples fármacos ha aumentado en los miembros del servicio que resultaron heridos y tratados en Oriente Medio dado que existen anticuerpos comerciales de la citada bacteria, se ha seguido un proceso similar al realizado para la detección de la bacteria E.coli en el apartado anterior. En este caso, las tareas de micro y nano fabricación por parte del personal de la UCIE han consistido en el desarrollo de los procesos que se detallan a continuación.
Básicamente las estructuras fotónicas a emplear consisten en filtros ópticos, es decir se requieren de estructuras ópticas que presenten resonancias, picos, cuya posición se pueda sintonizar y monitorizar dependiendo del comportamiento de la sustancia a detectar, más concretamente dependiendo de la interacción de la sustancia a detectar con el material sensible.
Cada aplicación, es decir cada sustancia a detectar como es el caso de la bacteria Acinetobacter, va a requerir de un estudio previo que nos permita fijar que estructura fotónica resonante y que material es el más adecuado para su detección, pero de antemano, y por la experiencia que posee el grupo, podemos anticipar algunas de las estructuras ópticas resonantes típicas empleadas típicamente en tareas de sensado. Se trata de anillos/discos resonantes y cavidades resonantes Fabry-Perot.

 Demostración funcional de un sistema de monitorización de calidad de aguas basado en una red subacuatica de fibra óptica

Resumen ejecutivo.

Las redes de distribución de agua, así como los ecosistemas fluviales y marítimos cercanos a la costa pueden estar expuestos a una contaminación involuntaria que podría causar alteraciones en la calidad del agua. Tal evento podría amenazar la salud humana en el caso de utilizar el agua para el  abastecimiento potable, y  también podría amenazar la estabilidad de los ecosistemas acuáticos. Las empresas de gestión del agua potable para consumo humano utilizan sistemas para el control de la calidad del agua. Sin embargo, en los entornos fluviales y marítimos los métodos convencionales utilizados dependen de análisis en laboratorio que pueden tardar varios días. Para evitar una degradación temprana de la calidad del agua, se requiere la monitorización de los parámetros principales en tiempo real.

La presente innovación describe un sistema de monitorización continua del nivel de contaminación del agua de un río, mediante el despliegue de una red de sensores interconectados entre ellos mediante un cable de fibra óptica especialmente diseñado para ser tendido en el lecho fluvial con las características de alta capacidad de transmisión, resistencia a las tracciones mecánicas esperables en dicho entorno, y durabilidad.

Este sistema ha sido desarrollado en el Centro de Tecnología Nanofotónica de la Universitat Politécnica de Valencia, contando con la asistencia de la empresa valenciana Fibernova S.L. en las tareas de despliegue y gestión de la red. El sistema de monitorización desarrollado utiliza sondas para la medida de la calidad del agua en distintas ubicaciones del cauce e incluye los subsistemas necesarios para transmisión de datos por cable de fibra óptica sumergible. Los datos son recibidos en una estación remota ubicada en la orilla del río, donde los datos son procesados a fin de obtener mediciones en tiempo real, y generar alarmas de contaminación en su caso.

La demostración experimental de esta innovación se ha realizado in situ en un tramo de la acequia de Pedralba, perteneciente a la Comunidad de Regantes del municipio, cuyas aguas provienen del cauce del río Túria. La demostración ha permitido verificar el correcto funcionamiento de los sistemas desarrolladas y arrojado resultados alentadores para el desarrollo de un sistema de comunicaciones basado en fibra óptica tendida en el lecho fluvial que permita monitorizar a largo plazo de los parámetros de calidad del agua del río en un gran número de ubicaciones.

Detección de enfermedades oculares

Resumen ejecutivo.

Las enfermedades oculares de mayor prevalencia son la principal causa de ceguera a nivel mundial. Además, la mayor parte de estas enfermedades oculares, que en su curso pueden inducir una pérdida progresiva de visión, no tiene cura. El procedimiento diagnóstico actual se basa de forma casi total en la visita clínica y en exploraciones complementarias, lo que conlleva un alto índice de fallos derivados del factor humano. Por tanto, los pacientes y la sociedad demandan el desarrollo de métodos de diagnóstico mínimamente invasivos, sencillos y de bajo coste que permitan detectar estas enfermedades oculares en una fase lo más temprana posible, y así prevenir la ceguera y la pérdida de la calidad de vida de los pacientes afectos. En este contexto, la oftalmo-biología molecular es un campo de investigación que está despertando un tremendo interés sociosanitario en la actualidad, ya que puede utilizarse como una plataforma de diagnóstico futurista que permita diseñar nuevas estrategias terapéuticas en oftalmología. Se han publicado diversas investigaciones en las que se realiza un análisis de la correlación entre diferentes componentes de los fluidos/tejidos oculares (e.g., lágrima, humor acuoso, humor vítreo o muestras de tejidos oculares obtenidas en el curso de la cirugía ocular) y las enfermedades relacionadas, de forma que es posible determinar biomarcadores específicos para su diagnóstico. El desarrollo de sensores que puedan detectar de forma precisa estos biomarcadores haciendo uso de una mínima cantidad de estas muestras oculares (o incluso de muestras sanguíneas) es uno de los desafíos actuales más interesantes en ciencias de la visión.

Conjuntamente con la Unidad Investigación Oftalmológica “Santiago Grisolía” (UIO-SG) del Hospital Dr. Peset perteneciente a la fundación FISABIO, se está trabajando en el desarrollo de un sistema de análisis Lab-on-a-Chip (LOC) basado en tecnología nanofotónica que sea capaz de detectar y cuantificar de una forma rápida y económica estos biomarcadores relacionados con enfermedades oculares haciendo uso de muestras de pacientes obtenidas mediante procedimientos mínimamente invasivos.

El concepto del dispositivo es extrapolable a cualquier tipo de muestra líquida, por tanto, podría optimizarse para detección en sangre o plasma, fluidos de interés para el diagnóstico clínico, algunos de ellos ya han sido analizados por la UIO-SG.

Desarrollo de sensores para vigilancia de la calidad del agua

Resumen ejecutivo.

El objetivo concreto de este sub proyecto es el desarrollo de sensores fotónicos para el análisis y control de la bacteria E. coli en agua. Para tener una visión más clara de la importancia del proyecto, a continuación, se exponen datos actualizados sobre el volumen de agua reutilizada en la Unión Europea.

– Datos sobre la reutilización del agua (~ 1 billón de metros cúbicos ~ 2.4% de los efluentes de agua tratada y menos del 0.5% de extracciones anuales de agua dulce de la UE) 

– Escenario español: El 10,4% del agua tratada se reutiliza 

– Potencial de la UE estimado en 6 mil millones de metros cúbicos

– La UE está implementando nuevas regulaciones en la reutilización del agua, que incluyen la detección de la bacteria E. coli

– Se necesita agua recuperada de alta calidad para garantizar su uso potencial como fuente de agua en las prácticas agrícolas (es decir, riego con agua reutilizada).

– Regulación del agua reutilizada mediante la determinación de patógenos (incluidos coliformes totales, virus y protozoos). Esto se define en el REGLAMENTO DEL PARLAMENTO EUROPEO Y DEL CONSEJO sobre los requisitos mínimos para la reutilización del agua.

– Hacia una gestión integrada del agua (fuente natural, uso y reutilización) se deben implementar metodologías desarrolladas en los últimos años.

– Cuantificación de patógenos en agua reutilizada: se deben desarrollar métodos rápidos que permitan una interpretación rápida y la reutilización del agua (cuando se cumplen los parámetros de calidad) (oportunidad de mercado)

Beneficio ambiental

– Agua recuperada para mitigar la escasez de agua.

– Escasez de agua en los países del sur y del Mediterráneo: datos actuales y predicciones

– Aumento de la calidad de los flujos de agua (necesidades ambientales y antropogénicas) con un impacto directo sobre la búsqueda de datos ambientales y de salud pública

La oportunidad de mercado

– Dimensión del mercado del suministro y gestión del agua:

– En España el 35% administraciones públicas, 33% empresas privadas, 22% empresas conjuntas y 10% servicios municipales (informe AEAS 2018)

– La necesidad de satisfacer el mercado es la cuantificación de coliformes, virus y protozoos totales en un solo análisis (Dado que el sensor fotónico desarrollado permite el análisis multi-analito).

– La determinación y cuantificación actual de los patógenos se basa principalmente en la presencia total de coliformes.

– Las metodologías empleadas requieren personal especializado (tiempo, recursos humanos, laboratorios externos)

Por lo tanto, desarrollar un nuevo dispositivo para el análisis de patógenos in situ, de múltiples objetivos (como se requiere en la regulación de Reutilización de Agua) es una nueva oportunidad de mercado.

Dispositivo compatible para diferentes objetivos expande el mercado

– Los tiempos entre medición, certificación, autorización y uso del agua se reducen con unidades de detección in situ

– El diseño del sensor fotónico es un mercado en constante expansión, ya que puede ser específico de una regulación y modificarse en el futuro con la implementación de otros objetivos

– Más allá del mercado del sector del agua potable o reutilizada. El diseño de este dispositivo se puede aplicar a otras fuentes de agua, como la monitorización de control costera (por ejemplo, para detectar coliformes en áreas protegidas costeras) o para virus en instalaciones de agua potable (control de virus) o en áreas no municipales con pequeños sistemas para el uso integrado del agua que podrían estar interesados en una reutilización segura del agua (edificios deslocalizados, oportunidad de mercado secundario)

En este proyecto se han llevado a cabo el diseño y la optimización del sensor fotónico, así como diferentes medidas para la detección de la bacteria E. coli en diferentes muestras y concentraciones. Para llevar a cabo este tipo de medidas se ha hecho necesaria la combinación de diferentes disciplinas como son fotónica, óptica, biología/química, electrónica, software así como fluídica/microfluídica.