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Fibao Una perspectiva molecular en medicina
REVISIÓN
Nanotecnología y Cáncer
Prevención
Tratamiento
Diagnóstico
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Fecha de Publicación: 25-2-2008 Última actualización : 25-2-2008
Resumen
Actualmente, debido al gran avance que están experimentando las tecnologías “ómicas”, enfermedades complejas como el cáncer se tratan de modelizar empleando principios de biología de sistemas. Para poder diseñar aplicaciones para el diagnóstico y el tratamiento de estas enfermedades basándose en los modelos teóricos de redes procedentes de la biología de sistemas es necesario el desarrollo de rutinas de análisis precisas, muy sensibles y de bajo coste. En esta revisión se introducen los últimos avances en la aplicación de la nanotecnología y la microfluídica (o tecnología Lab-on-a-chip) tanto en el diagnóstico como en la terapia del cáncer.
Introducción
La animación describe el mecanismo de acción de la proteína de fusión Ontak
En esta revisión se introducen los últimos avances en la aplicación de la nanotecnología y la microfluídica en el diagnóstico y analizaremos las nuevas terapias anticancerosas basadas en nanopartículas.

Recientes avances conceptuales y tecnológicos hacen posible imaginar un futuro en el que el cáncer se convertirá en una enfermedad crónica que podrá tratarse adecuadamente en la mayoría de los casos. La visión de la enfermedad del cáncer ha cambiado en gran medida últimamente. Hace unos años se trataba de caracterizar la enfermedad partiendo de unas cuantas medidas fenomenológicas. Posteriores avances en el conocimiento de la enfermedad han mostrado que un mismo tipo de cáncer puede estar causado por distintas mutaciones. La nueva visión de la enfermedad modeliza la patogenia del cáncer centrándose en las distintas rutas de señalización involucradas en el proceso. Este modelo llamado “model of cancer pathways” o modelo de las rutas del cáncer analiza el proceso canceroso focalizando la atención en las cascadas de eventos moleculares y de interacciones entre proteínas que están en la base del desarrollo de un tumor. Están apareciendo nuevas terapias moleculares específicamente dirigidas a la ruta que está alterada que muchas veces tienen como diana una proteína genéticamente alterada en el paciente a tratar. La medición a nivel molecular de la cantidad de ARNm o de proteínas asociadas a rutas específicas se están analizando tanto para diagnosticar algunos tipos de cáncer como para establecer la eficacia de los tratamientos anticancerosos. La llamada “molecular imaging” in vivo está siendo también muy útil en el seguimiento de la eficacia de fármacos anticancerosos. Los modelos de rutas son útiles aunque limitados ya que diagnósticos basados en estos modelos requieren un conocimiento previo de la presencia del cáncer en el paciente por lo que no suponen una buena estrategia para la detección de la enfermedad en los estadios tempranos. Además estos modelos no tienen suficientemente en cuenta que la evolución del cáncer es un proceso dinámico, que las rutas están muy interconectadas y que un proceso tumoral no es homogéneo.

Recientemente, gracias a los importantes avances en la biología de sistemas, se está tratando de caracterizar la enfermedad empleando modelos de redes. Estos modelos basándose en el análisis del transcriptoma a nivel global, en métodos de proteómica focalizados al análisis de proteínas concretas y utilizando métodos computacionales están permitiendo avanzar en el conocimiento de la patofisiología de la progresión de la enfermedad. Estos modelos de redes permiten ilustrar cómo el comienzo y el progreso de la enfermedad se reflejan en una expresión diferencial de genes y en modificaciones en las redes de interacción de las proteínas codificadas por esos genes.

Tres circunstancias están permitiendo avanzar hacia un diagnóstico más informativo del cáncer:
  • Las bases de datos de genómica y proteómica están permitiendo descubrir nuevos biomarcadores de enfermedad
  • La posibilidad de extraer datos de proteínas en sangre pero de forma órgano-específica
  • El conocimiento de las redes reguladoras en las que está involucradas cada proteína hace que la medición de una proteína dé una información adicional obtenida de su repercusión sobre las redes reguladoras de las que forma parte.
  • Los modelos de redes representan con mayor fidelidad el inicio y la progresión del cáncer de forma dinámica. En estos modelos la medición de la concentración de determinadas proteínas clave en la red puede permitir la realización de un diagnóstico temprano de la enfermedad aún previo a la aparición de los síntomas clínicos.
Todo esto demanda tecnologías analíticas que midan con precisión y a la vez múltiples parámetros en genes, proteínas y células, que necesiten poca cantidad de muestra y sean de bajo coste. Frente a esta demanda la nanotecnología y las técnicas de microfluídica surgen como poderosas herramientas.

Además de permitir un diagnóstico temprano de la enfermedad, técnicas basadas en nanotecnología podrían emplearse en terapia. Una de las principales ventajas de emplear la nanotecnología en la encapsulación de fármacos es que permite llevar de forma específica el fármaco a la célula o tejido diana. Así se reduce la exposición de los tejidos no cancerosos al fármaco y se reduce por tanto la toxicidad del mismo.

Estado actual
En la animación se representa la estructura de la nanopartícula IT-101
El empleo de la nanotecnología en el diagnóstico del cáncer permite llevar a cabo determinaciones de una gran cantidad de moléculas distintas, de una forma automatizable y económica y empleando cantidades de muestra aún menores que las que se necesitan con las técnicas actuales.

Las principales metodologías basadas en la nanotecnología que se proponen para el diagnóstico del cáncer son:

  • Ensayos de proteínas basados en la técnica ELISA
  • Chips microfluídicos
  • Chips para manejar muestras de sangre y tejidos
  • Sistemas de medición “label-free” en las que la interacción de la molécula diana con el agente detector se mide directamente sin utilizar ningún tipo de marcaje.
  • Análisis de tejidos
  • Sistemas de medición multiparámetro
La técnica ELISA (Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay) es una de las técnicas más usadas actualmente en el diagnóstico de muchas enfermedades. Sin embargo presenta algunos inconvenientes entre los que cabe destacar que permite solamente la detección y determinación de un tipo de proteína, la necesidad de dos anticuerpos para cada proteína, el rango de detección de la proteína (sólo se detecta por encima de una concentración) y los problemas derivados del uso de fluoróforos como por ejemplo el fotoblanqueamiento (photobleaching). Algunas mejoras se basan en unir los anticuerpos secundarios a nanopartículas de oro. De este modo se produce una amplificación de la señal que hace que el umbral de detección sea de 100 attoM, siendo un attoM la trillonésima parte de un mol. Esta gran sensibilidad del método basado en nanopartículas amplía su valor diagnóstico.

Los chips o plataformas microfluídicas son unos dispositivos de vidrio o material elastomérico que permiten manejar cantidades muy pequeñas de líquidos controlando en cada momento el flujo y el recorrido de la muestra en el chip. Estos sistemas permiten la reducción de costes en el análisis de muestras ya que necesitan cantidades muy pequeñas de reactivos y permiten llevar a cabo determinaciones en muy poco tiempo. El rendimiento de muchas técnicas, como por ejemplo la técnica ELISA, puede mejorarse adaptándolas a este tipo de dispositivos.

Los chips para manejar muestras de sangre y tejidos es otra de las aproximaciones basadas en nanotecnología para diagnosticar el cáncer. En los protocolos para el diagnóstico del cáncer y otras enfermedades es necesaria la separación de las células para posteriormente determinar las proteínas. Cuando se trata de muestras de sangre la separación de las células se suele hacer mediante centrifugación. La centrifugación requiere grandes volúmenes de muestra encareciendo el proceso. Actualmente se han diseñado chips que permiten la separación de compuestos biológicos basándose en principios como la dielectroforesis o la microfiltración. Recientemente se ha publicado un diseño basado en microfluídica para la separación del plasma de la sangre que destaca por ser muy eficiente, carecer de partes móviles, estar compuesto de vidrio y plástico y manejar cantidades muy pequeñas de sangre. El cultivo y manejo de tejidos también es muy importante en el diagnóstico del cáncer, actualmente hay muchos grupos trabajando en el diseño de chips para el cultivo y selección de células.

Sistemas de medición “label-free” en las que la interacción de la molécula diana con el agente detector se mide directamente sin utilizar ningún tipo de marcaje. El agente detector está inmovilizado sobre una superficie y la unión a la molécula diana se detecta sin necesidad de marcaje o reacciones acopladas. Este tipo de sistemas utilizan SPR (Surface Plasmon Resonance), nanoalambres, nanotubos, nanopalancas y biosensores moleculares. La nanotecnología aporta grandes ventajas en estas técnicas como la lectura electrónica de la señal que puede procesarse directamente, una gran sensibilidad y la posibilidad de detectar pequeños eventos de unión de moléculas a su receptor.

El análisis de tejidos es crucial en el diagnóstico del cáncer y de otras enfermedades. Actualmente muchos protocolos empleados se basan en tinciones inmunohistoquímicas. Estas técnicas permiten detectar in situ proteínas que muchas veces dan el diagnóstico molecular de muchos tipos de cáncer Se están desarrollando variantes de estos métodos que emplean nanotecnología. Variantes de estos métodos basados en nanotecnología se están empezando a utilizar por ejemplo en el diagnóstico del cáncer de mama. Muchas de estas aproximaciones se basan en el empleo de puntos cuánticos o transistores de un solo electrón como etiquetas fluorescentes ya que presentan propiedades de fluorescencia muy buenas. Los puntos cuánticos son estructuras cristalinas a nanoescala cuyas propiedades pueden modificarse con la acción de un solo electrón.

Las medidas multiparámetro en una única plataforma se están investigando aplicando nanotecnología. Con el tiempo en el diagnóstico del cáncer se podrán medir parámetros celulares, ARN mensajeros y proteínas en un único chip o plataforma. Uno de los principales problemas que hay en el diseño de estas plataformas es la incompatibilidad físico-química que hay entre los distintos soportes sobre los que se deben hacer las pruebas. Debido a la gran importancia que tiene el desarrollo de este tipo de chips actualmente hay numerosos grupos de investigación trabajando para solventar estos problemas.

Además de la aplicación de la nanotecnología en el diagnóstico del cáncer también se están desarrollando partículas destinadas a la terapia del mismo. Una de las principales ventajas de la aplicación de nanopartículas en la terapia contra el cáncer es la minimización de efectos secundarios.

En el diseño de la nanopartícula se pueden seleccionar sus propiedades físico químicas pudiendo obtener nanopartículas con distintas características de tamaño, tiempo medio de circulación, presencia de ligandos, etc. Es importante que las nanopartículas tengan un tamaño mayor de 10 nanómetros para evitar que sean eliminadas vía renal y que no estén cargadas positivamente para evitar las interacciones no específicas con proteínas y células. Uno de los usos de las nanopartículas en el tratamiento contra el cáncer es el encapsulamiento y reparto del fármaco. Presentan numerosas ventajas en este campo:
  • Pueden transportar una gran carga de fármaco. Mientras que una nanopartícula de unos 70 nanómetros puede transportar unos 2000 siRNA un conjugado con anticuerpos puede transportar solamente unas 10 moléculas de siRNA. Además las moléculas del fármaco no alteran las propiedades de circulación y movilidad de la nanopartícula.
  • Las nanopartículas son partículas relativamente grandes por lo que pueden presentar múltiples ligandos lo que permite que se unan a distintos receptores celulares. Al ser grandes también pueden transportar moléculas grandes como fármaco.
  • Al entrar en las células vía endocitosis y no por medio de transportadores de membrana, las nanopartículas son efectivas en tumores con resistencia a fármacos debida a modificaciones en estos transportadores de membrana.
Desde hace tiempo se están empleando fármacos que actualmente se consideran nanopartículas. Algunos ejemplos son los liposomas y los nanocristales de moléculas de fármaco. Los liposomas se caracterizan por tener una elevada vida media de circulación en el organismo, siempre que se encuentren estabilizados. Sin embargo no introducen el fármaco en el interior de la célula y no tienen mecanismos de control para la liberación del fármaco por lo que se suelen emplear para solubilizar el fármaco y permitir que se encuentre un mayor tiempo en el organismo con el fin de que sea incorporado al tumor. Los nanocristales de fármacos pueden suministrarse por vía oral pero tienen el inconveniente de que nunca alcanzan el torrente circulatorio. Los resultados obtenidos con estas nanopartículas demuestran que pueden ser suministradas a los pacientes sin riesgo y que pueden potenciar la seguridad y eficacia de otros fármacos. Sin embargo, nuevos diseños basados en nanopartículas están consiguiendo obviar estos inconvenientes.

Se pueden diseñar nanopartículas que permanezcan un mayor tiempo circulando por el organismo de modo que puedan encontrar el tumor y penetrar en él. De hecho partículas más pequeñas se acumulan con mayor facilidad en los tumores que los liposomas que son de mayor tamaño. Muchas de las nanopartículas que se encuentran actualmente en estudio presentan mecanismos para controlar la liberación del fármaco. Estos mecanismos se basan en la rotura de enlaces de unión entre la molécula del fármaco y la nanopartícula que la porta. Además algunos de los nuevos sistemas de nanopartículas pueden entrar en la célula pudiendo actuar sobre tumores que con resistencia a fármacos establecida vía modificaciones en transportadores de membrana, como es el caso de la nanopartícula IT-101 que es un polímero formado por moléculas de ciclodextrina conjugado con camptotecina. La camptotecina actúa sobre las células tumorales inhibiendo la enzima ADN topoisomerasa I.

Además del diseño de nanopartículas que se acumulen en los tumores de forma pasiva, simplemente gracias a que pueden atravesar los capilares que irrigan los tumores debido a su pequeño tamaño, se están diseñando también nanopartículas que contienen ligandos específicos para receptores que se encuentran sobreexpresados en las células tumorales permitiendo de este modo un reparto del fármaco más selectivo disminuyendo los posibles efectos secundarios. Uno de los ligandos que más se emplean en el diseño de estas nuevas nanopartículas es la transferrina ya que el receptor para la transferrina se encuentra sobreexpresado en muchos tipos de cáncer. Un ejemplo de este tipo de nanopartículas que incorporan un ligando es la nanopartícula Ontak que es una proteína de fusión formada por un fragmento de la toxina diftérica y la interleuquina 2 (IL-2) por lo que se une a las células que expresan el receptor para la IL-2. Ontak ya ha sido aprobado por la Administración de Alimentos y Fármacos de Estados Unidos (FDA: Food and Drug Administration).
Conclusiones
La tabla recoge algunos de los agentes terapéuticos unidos a ligando basados en nanotecnología diseñados para el tratamiento del cáncer
Los últimos avances en el campo de la nanotecnología están permitiendo su aplicación en el diagnóstico temprano y terapia de enfermedades tan complejas como el cáncer. Un mayor conocimiento de la enfermedad permitirá diseñar nanopartículas con las características idóneas para su tratamiento. De hecho, incluso se considera la posibilidad del diseño de nanopartículas lo suficientemente inocuas como para ser usadas como medida preventiva contra el cáncer.
Bibliografía