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Diseñan nanorrobots programados para buscar y destruir tumores


En un avance importante en nanomedicina, científicos de la Universidad Estatal de Arizona (ASU, por sus siglas en inglés), en Estados Unidos, en colaboración con investigadores del Centro Nacional de Nanociencia y Tecnología (NCNST, por sus siglas en inglés) de la Academia de Ciencias de China, han programado nanorrobots para reducir tumores mediante el corte de suministro de sangre.

“Hemos desarrollado el primer sistema totalmente autónomo de ADN robótico para un diseño de fármacos muy preciso y terapia dirigida contra el cáncer”, afirma uno de los autores, Hao Yan, director del Centro de Diseño Molecular y Biomimética del Instituto de Biodiseño de ASU y profesor en la Escuela de Ciencias Moleculares. “Además, esta tecnología es una estrategia que se puede emplear para muchos tipos de cáncer, ya que todos los vasos sanguíneos sólidos que se alimentan de tumores son esencialmente iguales”, añade.

La demostración del éxito de la tecnología se detalla en un artículo que se publica este lunes en la revista Nature Biotechnology. Yan es un experto en el campo del origami de ADN, que en las últimas dos décadas ha desarrollado la fabricación a escala atómica para construir estructuras cada vez más complejas.

Los ladrillos para construir sus estructuras provienen del ADN, que se puede plegar por sí mismo en todo tipo de formas y tamaños, todo a una escala mil veces más pequeña que el ancho de un cabello humano, con la esperanza de algún día revolucionar la informática, electrónica y medicina. Ese día puede llegar un poco más rápido de lo previsto.

La nanomedicina es una nueva rama de la medicina que busca combinar la promesa de la nanotecnología para abrir vías completamente nuevas para los tratamientos, como la fabricación de minúsculas nanopartículas del tamaño de una molécula para diagnosticar y tratar enfermedades difíciles, especialmente el cáncer.

Hasta ahora, el desafío para avanzar en la nanomedicina ha sido difícil porque los científicos querían diseñar, construir y controlar cuidadosamente los nanorrobots para buscar activamente y destruir tumores cancerosos, sin dañar las células sanas. El equipo internacional de científicos superó este problema al usar una estrategia aparentemente simple para buscar y matar de manera muy selectiva un tumor.

Este trabajo se inició hace aproximadamente cinco años. Los investigadores de NCNST primero quisieron cortar específicamente el suministro de sangre del tumor induciendo la coagulación sanguínea con alta eficacia terapéutica y perfiles de seguridad en múltiples tumores sólidos utilizando nanovehículos basados en ADN.

La experiencia del profesor Hao Yan ha mejorado el diseño de la nanomedicina para que sea un sistema robótico totalmente programable, capaz de realizar su misión por sí solo. “Estos nanorrobots pueden programarse para transportar cargas moleculares y causar bloqueos en el suministro de sangre tumoral en el sitio, lo que puede provocar la muerte del tejido y reducir el tamaño del tumor”, afirma Baoquan Ding, profesor de NCNST, ubicado en Beijing, China.

Nanorrobots al rescate

Para llevar a cabo su estudio, los científicos tomaron ventaja de un modelo de tumor de ratón bien conocido, donde las células cancerosas humanas se inyectan en un ratón para inducir un crecimiento tumoral agresivo. Una vez que el tumor estaba creciendo, los nanorrobots se desplegaron para ir al rescate. Cada nanorrobot está hecho de una hoja de origami de ADN plana y rectangular, de 90 nanómetros por 60 nanómetros de tamaño.

Una enzima clave para la coagulación de la sangre, llamada trombina, está adherida a la superficie. La trombina puede bloquear el flujo sanguíneo del tumor al coagular la sangre dentro de los vasos que alimentan el crecimiento tumoral, lo que causa un tipo de miniinflamación tumoral y conduce a la muerte del tejido tumoral. Primero, se unió un promedio de cuatro moléculas de trombina a un andamio de ADN plano. A continuación, la hoja plana se dobló sobre sí misma como una hoja de papel en un círculo para formar un tubo hueco.

Les inyectaron una vía intravenosa en un ratón, luego viajaron a través del torrente sanguíneo, dirigiéndose a los tumores. La clave para programar un nanorrobot que solo ataca una célula cancerosa era incluir una carga especial en su superficie, llamada aptámero de ADN. El aptámero de ADN podría dirigirse específicamente a una proteína, llamada nucleolina, que se produce en grandes cantidades solo en la superficie de las células endoteliales del tumor, y que no se encuentra en la superficie de las células sanas.

Una vez unido a la superficie de los vasos sanguíneos del tumor, el nanorrobot fue programado, como el célebre caballo de Troya, para entregar su cargamento farmacológico en el mismo corazón del tumor, exponiendo una enzima llamada trombina que es clave para la coagulación de la sangre. Los nanorrobots trabajaron rápido, se juntaron en grandes cantidades para rodear rápidamente el tumor unas horas después de la inyección.

Diseño seguro

El equipo demostró que los nanorrobots eran seguros y efectivos en la reducción de tumores. “Entonces un norrobot demostró ser seguro e inmunológicamente inerte para su uso en ratones normales y, también en cerdos miniatura Bama, que no mostraron cambios detectables en la coagulación sanguínea normal o la morfología celular”, dice Yuliang Zhao, también profesor en NCNST y científico principal.

Lo más importante es que no había evidencia de que los nanorrobots se diseminaran al cerebro, donde podrían causar efectos secundarios no deseados, como un accidente cerebrovascular. “Los nanorrobots son decididamente seguros en los tejidos normales de ratones y animales grandes”, apunta Guangjun Nie, otro profesor en NCNST y miembro clave del equipo de colaboración.

El tratamiento bloqueó el suministro de sangre al tumor y generó daños en el tejido tumoral dentro de las 24 horas sin afectar a los tejidos sanos. Después de atacar los tumores, la mayoría de los nanorrobots se eliminaron y degradaron del cuerpo después de 24 horas. A los dos días, hubo evidencia de trombosis avanzada, y en tres días, se observaron trombos en todos los vasos del tumor. La clave es desencadenar la trombina solo cuando está dentro de los vasos sanguíneos del tumor.

Además, en el modelo de ratón con melanoma, tres de cada ocho ratones que recibieron la terapia con nanorrobot mostraron una regresión completa de los tumores. El tiempo medio de supervivencia se duplicó, extendiéndose de 20,5 a 45 días. Los científicos probaron su sistema en una prueba de un modelo primario de cáncer de pulmón de ratón, que imita el curso clínico humano de pacientes con cáncer de pulmón. Mostraron encogimiento de los tejidos tumorales después de un tratamiento de dos semanas.

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