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Origami de ADN

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CAMPBELL STRONG, SHAWN DOUGLAS, & GAËL MCGILL (UTILIZANDO, MOLECULAR MAYA & CADNANO


"Cuarenta y ocho horas, para ser exactos. Eso es lo que necesitaron los nano-robots para encontrar los tumores, anclarse con éxito a las células vasculares relacionadas con ellos y causar coágulos de sangre para cortar el suministro de sangre. Una pequeña inyección es capaz de estrangular, reducir e, incluso, acabar con el cáncer en solo 48 horas".

Unos investigadores de la Universidad de Harvard han inventado un minúsculo robot hecho de material genético que pueden cargar con diferentes moléculas y dirigirlo a células específicas para que depositen esas sustancias, como fármacos, pero también para modificar su comportamiento. Se abre incluso la posibilidad espectacular, dicen, de enviar con esas moléculas de carga órdenes a las células cancerosas para que se autodestruyan. También se abre la perspectiva de programar así la respuesta inmunológica del organismo a varias enfermedades. No se trata de un trabajo teórico: Shawn Douglas y sus colaboradores incluso han hecho un prototipo del nanorobot de ADN y lo han ensayado con éxito en cultivos celulares.

Sus experimentos se han centrado en dos diferentes tipos de células cancerosas, de leucemia y linfoma, enviando instrucciones para activar el interruptor de suicidio celular, es decir, el mecanismo normal que permite la eliminación de las células anormales o envejecidas, explican en un comunicado de Harvard. Para cada caso, las instrucciones transportadas por el nanorobot y codificadas en fragmentos de anticuerpos, han sido diferentes.

No es la primera vez que los científicos abordan el reto de construir un dispositivo así utilizando las herramientas de la biotecnología y de la nanotecnología, aprovechando que el material genético es biodegradable y biocompatible, pero el equipo Douglas ha encontrado soluciones de diseño novedosas y prácticas. Basándose en la técnica denominada de origami de ADN, es decir, en el complejo plegamiento tridimensional de fragmentos de material genético, han dado forma de tonel tonel a su nanorobot, con sus dos mitades unidas por una especie de bisagras y cerrado con unos pestillos moleculares capaces de identificar diferentes células diana. Cuando el dispositivo llega a esas células se abre y deposita su carga, ya sea un fármaco o moléculas capaces de modificar su comportamiento, incluso induciendo el suicidio. El nanorobot es reprogramable porque puede llevar diferentes moléculas de búsqueda y reconocimiento de receptores de la superficie de distintas células. Estos investigadores, que presentan su trabajo en Science, han logrado una estructura eficaz del nanorobot, logrando abrirlo, cerrarlo, reabrirlo para insertar y para llevarla a las células de destino.

Por qué usar nanorobots contra el cáncer

En los últimos años, la nanomedicina o aplicación de la nanotecnología a las ciencias de la salud se ha convertido en una de las áreas más emergentes de la medicina. La nanomedicina tiene como objetivos prevenir, diagnosticar y tratar enfermedades, a través de, por ejemplo, el desarrollo de nanopartículas programadas para detectar la presencia de una patología o diseñadas para transportar fármacos al tejido afectado.

Dentro del campo de la oncología, desde hace un tiempo los investigadores se han planteado cómo desarrollar nanopartículas que permitieran rastrear y destruir las células tumorales sin atacar las células normales del organismo. Como en cualquier guerra, los conceptos de “rastrear y destruir al enemigo” o “combatir al enemigo” son muy amplios y para llevar a cabo acciones efectivas puede ser más útil definir una estrategia de acción concreta.

En este caso, los investigadores plantearon un objetivo simple y concreto para atacar al cáncer: bloquear el aporte de nutrientes y “matar de hambre” al tumor. ¿Cómo? Induciendo la coagulación de la sangre en los vasos sanguíneos del tumor mediante nanopartículas basadas en ADN que llevaran agentes coagulantes a esa zona. Si la sangre encargada, entre otras funciones, de transportar nutrientes y oxígeno a las células, no puede acceder al tumor, este no recibe refuerzos para llevar a cabo su metabolismo. En términos militares, sería algo así como iniciar un asedio a la ciudad a conquistar y evitar cualquier llegada de refuerzos desde el exterior.

Si la sangre, encargada entre otras funciones, de transportar nutrientes y oxígeno a las células, no puede acceder al tumor, este no recibe refuerzos para llevar a cabo su metabolismo. //Fuente de la imagen: Jason Drees, Arizona State University.

Cómo usar la nanotecnología para asediar un tumor

Para llevar a cabo un asedio a nivel microscópico, los investigadores necesitaban diseñar nanopartículas que cumplieran dos características principales. En primer lugar, debían reconocer los vasos sanguíneos que nutren al tumor y diferenciar sus células de las células normales. En segundo punto, las nanopartículas tenían que ser capaces de liberar un agente coagulante una vez en su destino. Los nanorobots basados en ADN que han desarrollado los investigadores reúnen ambas condiciones.

El ADN está compuesto por unidades que permiten crear formas diversas con capacidad para plegarse. La creación de estas maneras nanoscópicas es denominada origami de ADN por los investigadores. Y sus propiedades pueden ser aprovechadas para diseñar estructuras con agentes terapéuticos en su interior que se despliegan y liberan estos agentes cuando llegan a su diana.

En este caso, el equipo desarrolló un tipo de nanorobot constituido por una hoja rectangular de ADN de 90 nanómetros por 60 nanómetros que en su superficie tenía unidas cuatro moléculas de trombina, una enzima coagulante. Esta lámina de ADN, además, presentaba la característica de poder plegarse de manera autónoma en un tubo, de manera que las moléculas de trombina quedaran en su interior.

El equipo desarrolló un tipo de nanorobot constituido por una hoja rectangular de ADN que contiene moléculas de trombina.//Fuente de la imagen: Jason Drees, Arizona State University.

Para asegurar que los nanorobots ejercieran su función únicamente en los tumores, los investigadores añadieron a la lámina de ADN unas moléculas denominadas aptámeros de ADN. Estas moléculas reconocen a la proteína nucleolina que es producida en grandes cantidades por las células endoteliales de los tumores. Además, el reconocimiento entre los aptámeros de ADN y la nucleolina sirve como interruptor de activación para los nanorobots.

Así, el mecanismo es el siguiente: en primer lugar, los investigadores inyectan nanorobots de ADN cargados con trombina en el torrente sanguíneo de animales modelo para el cáncer; al llegar los vasos sanguíneos que nutren al tumor, los nanorobots detectan la presencia de la nucleolina gracias a los aptámeros de ADN y se activan, pasando de la forma cilíndrica a la forma desplegada que deja expuestas las moléculas de trombina; finalmente, la trombina inicia un proceso de coagulación que termina bloqueando el flujo de sangre hacia el tumor.

Los nanorobots detectan la presencia de la nucleolina gracias a los aptámeros de ADN y se activan, pasando de la forma cilíndrica a la forma desplegada que deja expuestas las moléculas de trombina.

Resultados prometedores en modelos animales

El tratamiento con nanorobots no mostró signos de toxicidad en los animales modelo tratados. Además, el equipo comprobó que 24 horas tras la inyección, la concentración de nanorobots en el organismo había disminuido, lo que significaba que las nanopartículas podían ser degradadas o eliminadas por el organismo de forma natural. Otro dato a su favor fue que no se detectaron nanorobots en el cerebro, lo que podría ocasionar efectos inesperados. La seguridad de los nanorobots también fue confirmada en cerdos Bama, que muestran mayor similitud a los humanos que los ratones en cuanto a anatomía y fisiología.

Además, para evaluar su eficacia frente a tumores en situación in vivo, los investigadores trataron diversos modelos animales de cáncer con los nanorobots de ADN. En tan solo 24 horas tras el tratamiento, el equipo observó la producción de trombosis en los vasos sanguíneos tumorales y en tres días, todos los vasos sanguíneos de los tumores analizados habían sido bloqueados.

La coagulación de los vasos sanguíneos como tratamiento antitumoral mostró mayor efectividad en los tumores con elevado grado de vascularización, como es el caso del melanoma. Tres de los ocho ratones modelo para este tipo de cáncer mostraron una regresión completa de los tumores. En estos animales el tratamiento con nanorobots también frenó la metástasis. Además, los nanorobots basados en ADN frenaron el crecimiento tumoral en otros tipos de cáncer, como el cáncer de pulmón.

El futuro de los nanorobots en oncología

El rendimiento de los nanorobots basados en ADN como herramienta para combatir el cáncer muestra lo avanzado que está el campo de la nanomedicina. A la luz de los resultados obtenidos, publicados en el último número de Nature Biotechnology, los investigadores responsables buscan en la actualidad colaboradores clínicos con los que poder hacer avanzar la tecnología.

“Hemos desarrollado el primer sistema robótico de ADN completamente autónomo para diseñar un fármaco muy preciso y una terapia contra el cáncer dirigida“, indica Hao Yan, investigador de la Universidad del Estado de Arizona y uno de los directores del trabajo. “Además, esta tecnología es una estrategia que puede ser utilizada en muchos tipos de cáncer, ya que todos los vasos sanguíneos que alimentan a los tumores sólidos son esencialmente los mismos.”

Como señalan los autores del artículo, los prometedores resultados de los nanorobots de ADN podrían inspirar el diseño de nuevos tratamientos contra el cáncer utilizando diferentes moléculas modificadas para mediar la administración de los agentes terapéuticos. La combinación de distintos nanorobots de diseño que transporten agentes variados podría ayudar a erradicar los tumores sólidos y las metástasis derivadas. E incluso, señalan los investigadores, la estrategia podría ser modificada como una plataforma de administración de tratamientos para otras enfermedades[1].

Fuentes & referencias

Léase en WikicharliE

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