Células modificadas genéticamente utilizando nanofibras

Las terapias basadas en células constituyen una forma nueva de tratamiento en el cual se inyectan al paciente células modificadas genéticamente para prevenir o tratar enfermedades. Un ejemplo conocido es el uso de las propias células inmunitarias de un paciente con cáncer, pueden aislarse, modificarse genéticamente y expandirse en un entorno de laboratorio y reinfundirse en el paciente para atacar las células tumorales. En el artículo Photothermal nanofibres enable safe engineering of therapeutic cells (Nature Nanotechnology) investigadores de la Ghent University,  Belgium, desarrollaron  nanofibras fototérmicas biocompatibles, tras la irradiación con láser, las células que entran en contacto con las nanofibras se permeabilizan y pueden transfectarse con una variedad de moléculas efectoras, incluidos el complejo CRISPR -Cas9.

Crédito: Kevin Braeckmans y col. Nature Nanotechnology 2021. https://doi.org/10.1038/s41565-021-00976-3

La fotoporación sensibilizada por nanopartículas es particularmente prometedora a este respecto, ya que normalmente proporciona alta eficiencia y alto rendimiento. Se basa en el uso de nanopartículas sensibles a la luz, como las nanopartículas de oro (NP), que pueden formar nanoburbujas explosivas tras la irradiación con láser pulsado produciendo pequeños poros en las membranas celulares, a través de los cuales las moléculas efectoras externas suplementadas en el medio celular ingresan a las células. Sin embargo, la traducción de la fotoporación sensibilizada con nanopartículas a aplicaciones clínicas se ve obstaculizada por el hecho de que las células han estado en contacto con nanopartículas no degradables, lo que plantea preocupaciones toxicológicas y regulatorias. El profesor Braeckmans y su equipo incorporaron nanopartículas fototérmicas de óxido de hierro (IONP) en policaprolactona y mediante electrohilado obtuvieron nanofibras poliméricas biocompatibles. En forma experimental han demostrado que la fotoporación con nanofibras fototérmicas podría entregar con éxito moléculas biológicas funcionales, incluidos ARNip o ribonucleoproteínas y CRISP-Cas9), tanto a las células adherentes como en suspensión, incluidas las células madre embrionarias humanas (hESC) y las células T humanas primarias. La fotoporación con nanofibras fototérmicas permite una entrega intracelular eficiente y segura de una amplia gama de moléculas efectoras a una variedad de tipos de células evitando el contacto con nanopartículas fototérmicas potencialmente tóxicas. Un paso importante hacia el uso de la fotoporación para la producción segura y eficiente de terapias con células modificadas genéticamente.

Información complementaria: Photothermal nanofibres enable safe engineering of therapeutic cells

Nanomotores ultrasónicos llegan a genes cancerígenos.

El complejo sgRNA-Cas9 es una herramienta efectiva de edición genómica, pero su administración a través de la membrana celular al genoma tumoral todavía no se ha resuelto satisfactoriamente. Científicos estadounidenses y daneses han desarrollado un nanomotor activo para el transporte, la entrega y la liberación eficiente de este sistema. Como detallan en la revista Angewandte Chemie  (9 de febrero 2018), los autores del estudio proponen nanocables de oro propulsados ​​por ultrasonido como un vehículo de transporte y liberación activa del complejo.

Crédito Wiley

Los nanocables de oro pueden atravesar pasivamente una membrana, pero gracias a su forma asimétrica de varilla o cable, el movimiento activo puede lograrse mediante  la utilización de ultrasonido. La forma asimétrica del motor de nanocables de oro, dada por el proceso de fabricación, es esencial para la propulsión acústica.  El nanovehículo une el complejo al nanocable de oro a través de puentes de sulfuro. Estos enlaces reducibles tienen la ventaja de que dentro de la célula tumoral se rompen. El sgRNA-Cas9 sería lanzado y enviado al núcleo para hacer su trabajo de edición, por ejemplo, el knockout de un gen. El sistema se probó controlando la supresión de la fluorescencia emitida por la proteína fluorescente verde que expresa las células B16F10 del melanoma. Se aplicó ultrasonido durante cinco minutos, lo que aceleró el nanomotor portador del complejo sgRNA-Cas9 a través de la membrana, acelerándolo incluso dentro de la célula. Así observaron como se suprimía eficazmente la fluorescencia con pequeñas concentraciones del complejo. La efectividad del nanomotor acústico como transportador activo, la pequeña carga útil necesaria para la inactivación génica eficiente y la simplicidad del sistema constituyen toda una promesa para futuras aplicaciones terapéuticas. 

Lectura complementaria:

Active Intracellular Delivery of a Cas9/sgRNA Complex Using Ultrasound-Propelled Nanomotors.

La nanotecnología se apresta a eliminar el cáncer.

En la actualidad, cuando  un paciente desarrolla un tumor agresivo, el cirujano lo opera para extirpar el tumor, pero sigue habiendo algunas células cancerosas escondidas en el cuerpo. Para eliminarlas se le administra quimioterapia debilitando tanto las células del paciente como las cancerígenas. Pero el cáncer normalmente no muere totalmente, vuelve y finalmente mata al paciente luego de hacerle soportar meses de los brutales efectos secundarios de la quimioterapia: pérdida del cabello, náuseas y debilidad extrema. La nanotecnología se prepara para tratar la enfermedad centrando su curación a nivel genético (existen más de 4000 enfermedades originadas en componentes genéticos). Imaginemos ahora que luego de la cirugía se inyecte en la zona afectada namoparticulas de oro acopladas a hebras de ADN capaces de ingresar a las células tumorales destruyéndolas directamente sin tocar a las vecinas sanas. El  ADN por su forma normalmente no sería capaz de entrar en las células las cuales además han desarrollado protección contra el ingreso de segmentos de ADN extraño. Sin embargo, mediante el uso de la nanotecnología, muchos pequeños fragmentos de ADN se pueden unir a nanopartículas evitando el bloqueo y facilitando la incorporación de material genético al núcleo. Desde nanopartículas hasta nanorobots pueden ingresar  material dentro del núcleo de la célula para destruirla o para “editar el genoma” según la revolucionaria tecnica de ingeniería genética CRISPR-Cas9 presentada en el artículo “A programmable dual-RNA-guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity”, publicado en la revista Science el 17 de agosto del 2012 por un equipo de investigadores dirigidos  por Jennifer Anne Doudna y Emmanuelle Charpentier. El 15 de noviembre una noticia publicada en la revista Nature “CRISPR gene-editing tested in a person for the first time”  nos informa que un grupo de investigadores chinos se convirtió en el primero en inyectar una persona con las células que contienen genes editados utilizando la técnica de CRISPR-Cas9. El 28 de octubre, un equipo de investigación, dirigido por el oncólogo Lu You en la Universidad de Sichuan en Chengdu, introduce células modificadas con el genoma editado en un paciente con cáncer agresivo de pulmón como parte de un ensayo clínico autorizado por el comité de ética del Hospital de Clínicas de la Universidad. El hecho constituye sólo el inicio de un crecimiento exponencial. Estados Unidos se apresta a comenzar en el 2017 sus pruebas clínicas con el sistema CRISPR y un grupo de la Universidad de Pekín espera iniciar el mismo año los ensayos clínicos con el sistema CRISPR-Cas9 en casos de cáncer de la vejiga, de próstata y renal.

Nanodelivery de drogas + nanorobots de diagnóstico y terapia + biopsias líquidas + edición de genomas +  regeneración de tejidos = nanomedicina.

Lectura complemantaria:

CRISPR gene-editing tested in a person for the first time.

Nanorobots de ADN para editar genomas.

En el número 344 de Biotecnología & Nanotecnología al Instante se publicó el artículo “Nanorobots, sistema inmune y cáncer” en el cual se describe la potencial utilidad de los nanorobots de ADN (50nm), construidos por el Dr. Ido Bachelet del Instituto de Nanotecnología y Materiales Avanzados de la Universidad Bar-Ilan, con capacidad  reconocer 12 tipos diferentes de cáncer y descargar sustancias para destruir las células cancerígenas. Un punto de inflexión en la ingeniería genética se presentó en el 2012 cuando la Dra. Jennifer .A. Douda de la Univesity of California y la Dra. Emmanuelle Charpentier del Max Planck Institute publicaron su trabajo sobre el sistema CRISPR-Cas9 capaz de editar genomas es decir suprimir genes o reemplazarlos. A partir de ese momento numerosos trabajos de investigación conducentes a publicaciones y patentes utilizaron el nuevo y fácil método de editar genomas (ver Silenciar o editar genomas). No obstante la entrega del complejo CRISPR-Cas9 al núcleo de la célula humana, hasta el presente, no se ha realizado en forma plenamente segura y eficiente. A medida que se incrementan los desarrollos orientados hacia una terapéutica humana, la entrega cierta del sistema al núcleo plantea mayores desafíos.  Un nuevo vehículo de entrega para lograr la edición del genoma con CRISPR-Cas9 está basado en nanoclews (nano-ovillos) de ADN. En la publicación “Self-Assembled DNA Nanoclews for the Efficient Delivery of CRISPR–Cas9 for Genome Editing” investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte presentan nano-ovillos hechos de una sola hebra ADN. El ADN está diseñado para complementar parcialmente el ARN CRISPR trasportado. Cuando el nanoclew entra en contacto con la célula, ésta absorbe el nanoclew completamente envolviéndolo en una funda de protección llamada endosoma. Los nanoclews están recubiertos con un polímero cargado positivamente capaz de desmembrar el endosoma quedando finalmente libres dentro de la célula. Los complejos de CRISPR-Cas9 pueden entonces liberarse del nanoclew e iniciar su camino hacia el núcleo en dónde comienzan la edición del gen. Transportando las variantes implementadas en los nanoclews de ADN a los nanorobot de ADN del Dr. Ido Bachelet, tal vez ya no sea necesario que todos sus nanorobots trasporten sustancias nocivas para destruir células con ADN mutado; también sus nanorobots estarán en condiciones de transportar exitosamente el sistema CRISPR-Cas9 para reparar los genomas!

Lectura complementaria:

Self-Assembled DNA Nanoclews for the Efficient Delivery of CRISPR–Cas9 for Genome Editing.