En 1900, al médico alemán Paul Ehrlich se le ocurrió la noción de una “bala mágica“. La idea básica es inyectar a un paciente ‘partículas inteligentes’ capaces de encontrar, reconocer y tratar una enfermedad. En la práctica, la ciencia ha perseguido la bala mágica desde entonces.
Investigadores rusos del Instituto de Física y Tecnología de Moscú (MIPT), han avanzado hacia ese objetivo. El equipo de investigación, dirigido por Maxim Nikitin de MIPT, publicó un artículo en ACS Nano, presentando un material inteligente con propiedades únicas, que promete análisis de ADN exprés y medicamentos de próxima generación contra el cáncer y otras enfermedades graves.
El llevar medicamentos a las células afectadas por alguna enfermedad es un importante ‘cuello de botella’ en el diagnóstico y la terapia. Lo ideal es que los fármacos lleguen solo a las células infectadas, sin dañar a las sanas. Hay una variedad de compuestos que son capaces de ‘colocar señales’ en las células cancerosas. Entre estas moléculas indicadoras, que se encuentran en la superficie de las células afectadas o en su microambiente, se encuentran los productos de desecho y los enviados a otras células como señales.
Los fármacos modernos dependen de uno de esos marcadores para identificar las células enfermas. Sin embargo, por lo general, las células sanas llevan los mismos marcadores, aunque en cantidades más pequeñas. Esto significa que los sistemas existentes que llevan los medicamentos hacia la célula afectada (fármacos dirigidos) no son perfectos.
Para que la entrega de medicamentos sea más específica, se requieren materiales ‘inteligentes’ que sean capaces de analizar múltiples parámetros del entorno a la vez, buscando el objetivo con mayor precisión.
“Los métodos actualmente utilizados que conducen los fármacos, actúan como una carta que lleva escrita la ciudad y la calle en el sobre, pero sin los números de casa y departamento“, comentó el máximo investigador y jefe del Laboratorio de Nanobiotecnología del MIPT, Maxim Nikitin. “Necesitamos poder analizar más parámetros para garantizar una entrega efectiva“.
Anteriormente, Nikitin y sus coautores desarrollaron nanopartículas y micropartículas capaces de realizar cálculos lógicos complejos a través de reacciones bioquímicas. En su artículo de 2014 en Nature Nanotechnology, los investigadores informaron que sus ‘nanocomputadoras autónomas’ podían analizar muchos parámetros de un objetivo y, por lo tanto, eran mucho mejores en su identificación.
En los últimos años han visto muchos avances en materiales de biocomputación. Para 2018, se habían publicado cientos y cientos de artículos sobre el tema.
A pesar de los esfuerzos de numerosos equipos de investigación en todo el mundo, todavía no son lo suficientemente sensibles a los marcadores de enfermedades, lo que hace que las aplicaciones prácticas sean imposibles.
El reciente trabajo del equipo marca un gran avance en este campo. Han desarrollado un material inteligente único caracterizado por la supersensibilidad a las señales del ADN, capaz de detectar concentraciones de ADN tan bajas como 30 femtomoles por litro. Además, la alta sensibilidad puede lograrse con un ensayo bastante simple, del tipo ampliamente utilizado en pruebas de embarazo.
Los investigadores lograron ese resultado después de descubrir que las moléculas de ADN exhiben un comportamiento inusual en la superficie de las nanopartículas.
En el estudio, un extremo de una molécula de ADN monocatenario (de una sola cadena) se fijó a una nanopartícula. Es importante destacar que la molécula no tenía horquillas, es decir, segmentos bicatenarios donde parte de la cadena se adhiere a sí misma. El equipo equipó el otro extremo de la cadena de ADN con un pequeño receptor molecular. Contrariamente a lo esperado, el receptor no se unió a su objetivo. Después de descartar un error, los científicos plantearon la hipótesis de que el ADN monocatenario podría adherirse a la nanopartícula y enrollarse, ocultando el receptor debajo de él, en la superficie de la partícula.
La hipótesis demostró ser correcta cuando el equipo agregó cadenas individuales de ADN complementarias a su partícula (imagen derecha). El receptor se activó instantáneamente uniéndose a su objetivo. Esto sucedió porque los enlaces entre los nucleótidos complementarios causaron que las dos cadenas de ADN formaran una doble hélice rígida o dúplex. La hebra de ADN se desenrolla, exponiendo el receptor para la unión al objetivo.
Tal desenrollamiento de la cadena de ADN se asemeja al de una baliza molecular. Esto es, una pequeña cadena de ADN monocatenario cuyo extremo forma un dúplex con el extremo opuesto, formando una horquilla al plegar la estructura. Una cadena complementaria de ADN puede desplegar la baliza molecular, es decir ‘desenroscarla’.
Sin embargo, hay una distinción significativa y útil. “A diferencia de las balizas moleculares, el fenómeno descubierto permite ajustar la fuerza del ADN que se curva sobre la nanopartícula por separado de la fuerza de enderezamiento del ADN de entrada. Esto conduce a una sensibilidad dramáticamente mejor a la entrada, señaló el primer autor del estudio, Vladimir Cherkasov, investigador líder en el Laboratorio de Nanobiotecnología, MIPT.
La coautora del estudio, Elizaveta Mochalova, estudiante de doctorado en el Laboratorio de Nanobiotecnología del MIPT, agregó: “Mostramos que la sensibilidad es tan alta con un análisis de flujo lateral bastante simple, que se usa ampliamente en las pruebas de embarazo. A diferencia de los análisis de ADN existentes, tales pruebas pueden realizarse fuera de un entorno de laboratorio limpio y no requieren equipos avanzados. Esto hace que la tecnología sea adecuada para la detección rápida de enfermedades infecciosas, kits de pruebas de alimentos para uso doméstico y cosas similares“.
Los autores del artículo también han demostrado que la tecnología es aplicable al diseño de ‘nanoagentes’ inteligentes que reconocerían las células cancerosas en función de la concentración de ARN pequeño en su microambiente. No hace mucho tiempo, se pensaba que los ácidos nucleicos pequeños eran solo desechos sin sentido resultantes del reciclaje de moléculas funcionales más grandes. Sin embargo, los ARN pequeños resultaron ser reguladores clave de muchos procesos en las células vivas. Los biólogos actualmente están identificando marcadores de enfermedades entre estos ARN.
Fuente: MIPT
Artículo: Cherkasov, V. R., Mochalova, E. N., Babenyshev, A. V., Vasilyeva, A. V., Nikitin, P. I., & Nikitin, M. P. (2020). Nanoparticle Beacons: Supersensitive Smart Materials with On/Off-Switchable Affinity to Biomedical Targets. ACS Nano.