Nanoestructuras ocultas en células y tejidos

Dentro de una célula viva, las proteínas y otras moléculas suelen estar muy juntas. Estos cúmulos densos son difíciles de visualizar. La obtención de imágenes de una proteína específica u otra molécula dentro de una célula requiere de una etiqueta fluorescente que lleva un anticuerpo para unirla al objetivo. Los anticuerpos miden alrededor de 10 nanómetros de largo, mientras las proteínas celulares típicas suelen tener entre 2 y 5 nanómetros de diámetro, por lo que si las proteínas objetivo están demasiado empaquetadas los anticuerpos no pueden llegar a ellas. Investigadores del MIT en el artículo: Revealing nanostructures in brain tissue via protein decrowding by iterative expansion microscopy, publicado en la revista Nature Biomedical Engineering (2022) explican una nueva forma de superar la limitación y hacer visibles esas moléculas "invisibles" modificando la denominada microscopía de expansión. La técnica les permite "desagrupar" las moléculas expandiendo una muestra de tejido o células antes de etiquetarlas, de este modo quedan más accesibles a las etiquetas fluorescentes.

Nanoestructura beta-amiloide y helicoidal beta-amiloide. Crédito imagen: Zhuyu Peng y Jinyoung Kang

La microscopía de expansión, la desarrolló Boyden (coautor del artículo) en el año 2015. En su versión original se adhirieron etiquetas fluorescentes a las moléculas de interés antes de expandir el tejido. El etiquetado se realizó primero, porque los investigadores necesitaron usar una enzima para cortar las proteínas de la muestra y lograr la expansión del tejido. Esto significaba que las proteínas no podían etiquetarse después de expandir el tejido. Para superar ese obstáculo los investigadores tuvieron que encontrar una manera de expandir el tejido dejando las proteínas intactas. Usaron calor en lugar de enzimas para ablandar el tejido y lograr una expansión 20 veces mayor permitiendo luego el etiquetado fluorescente. Con tantas más proteínas accesibles para ser etiquetadas pudieron identificar pequeñas estructuras celulares dentro de las sinapsis, conexiones entre las neuronas repletas de proteínas. Etiquetaron y obtuvieron imágenes de siete proteínas sinápticas diferentes, visualizando en detalle "nanocolumnas" que consisten en canales de calcio alineados con otras proteínas sinápticas. También utilizaron su nueva técnica para obtener imágenes del péptido beta amiloide responsable de la formación de placas en los cerebros de los pacientes con Alzheimer. Llegaron a observar que las moléculas de beta amiloide formaban estructuras helicoidales a lo largo de los axones...

La variante utilizada denominada “revelación de expansión” permite la visualización de nanoestructuras, que antes permanecían ocultas, utilizando hardware fácilmente disponible en los laboratorios académicos. Con el etiquetando clásico se estaban perdiendo categorías enteras de fenómenos, ahora se cuenta con una tecnología para realizar nuevos y trascendentes descubrimientos biológicos.

Información Complementaria:

Revealing nanostructures in brain tissue via protein decrowding by iterative expansion microscopy

Nanoantibióticos combaten a las bacterias resistentes

Los nanoantibióticos se presentan como una alternativa significativa  para defendernos de las bacterias resistentes a los medicamentos cuando los antibióticos convencionales fallan. Este nuevo campo abarca una plétora de combatientes de patógenos nanoestructurados como: nanoportadores cargados con antibióticos, nanopartículas de metal u óxido metálico, nanopartículas compuestas orgánico-inorgánicas, grafeno u óxido de grafeno, nanotubos de carbono, dendrímeros, micelas autoensambladas, micelas unimoleculares, nanoestructuras supramoleculares y cepillos moleculares de polímeros. A pesar de las diferencias individuales atribuidas a los comportamientos antimicrobianos entre los diferentes nanoantibióticos, comparten la similitud de tener al menos una dimensión físicamente confinada en la nanoescala (1 – 100 nm). 

Crédito: H. Liang y col. Nature Communications

Muchas actividades antimicro-bianas informadas de los nano-antibióticos presentan como inconveniente su toxicidad vinculada con la generación de especies reactivas de oxígeno (ROS), la liberación de iones de metales pesados y el aumento del área de superficie hidro- fóbica específica, que ayudan a matar las bacterias pero también atacan y debilitan las células de los mamíferos.
En el artículo Hydrophilic nano-particles that kill bacteria while sparing mammalian cells reveal the antibiotic role of nanostructure, publicado el 11 de enero en Nature Communications, investigadores del Texas Tech University Health Sciences Center estudian la actividad antimicrobiana y la citotoxicidad de una serie de cepillos poliméricos unidos a nanopartículas (NPPB, nanoparticle-pinched polymer brushes) que consisten en nanoesferas de sílice químicamente inertes de diámetros sistemáticamente variados entre 7–270 nm insertas covalentemente en polímeros hidrofílicos de cadena lineal sin propiedades tóxicas ni bactericidas. Los autores demuestran como las propias nanoestructuras tienen el potencial de alterar radicalmente la forma en que los polímeros de cepillo de cadena lineal hidrofílica interactúan con las bacterias, lo que transforma los NPPB en potentes antibióticos sin cambiar su postura benevolente sobre las células de mamíferos. El tamaño umbral experimental debajo del cual la actividad antimicrobiana adquirida de NPPB se intensifica significativamente para las nanoesferas de sílice es de 50 nm, con un tamaño óptimo de 10 nm. En su conjunto, el artículo, arroja luz sobre la nanoingeniería como un enfoque viable para desarrollar nanoantibióticos que eliminen selectivamente las bacterias al entrar en contacto pero que no sean tóxicos para las células de los mamíferos. Estos descubrimientos son importantes porque el uso de nanoantibióticos para matar bacterias evade todos los mecanismos conocidos de resistencia bacteriana, además, constituyen un modelo para de desarrollo de nuevos antibióticos capaces de matar a las bacterias por contacto, pero que seguirán siendo amigables con los humanos porque se producen utilizando ingredientes no tóxicos y respetuosos con el medio ambiente.

Lectura complementaria:

Hydrophilic nanoparticles that kill bacteria while sparing mammalian cells reveal the antibiotic role of nanostructure.

Autoensamblaje robotizado masivo de nanoestructuras

En el artículo “Autonomous robotic searching and assembly of two-dimensional crystals to build van der Waals superlattices” publicado en la revista Nature Communications, investigadores japoneses,  presentan una forma de realizar ensamblaje robotizado a nanoescala con posibilidad cierta de estar disponible comercialmente a la brevedad. El sistema consiste en un microscopio óptico automatizado, un brazo robótico de transferencia de chips y un aparato de estampado que es capaz de apilar materiales bidimensionales (2D) conocidos como heteroestructuras de van der Waal (vdW)  mucho más rápidamente que los humanos. Estas heteroestructuras vdW reciben su nombre porque las fuerzas de van der Waal  mantienen juntas las capas. 

Crédito: Riccardo Frisenda

La propiedad única de estas nanoestructuras es que al alternar las capas conductoras (como el grafeno) y aislantes (como el nitruro de boro hexagonal) es posible lograr propiedades electrónicas “personalizadas”. Por lo general a los operadores les lleva días ensamblar 13 capas de una heteroestructura vdW mientras que el sistema presentado en el artículo permite ensamblar 29 capas en 32 horas.

Existen otros métodos de autoensamblaje para acoplar heteroestructuras de vdW que no involucran a los operadores apilando manualmente las capas, no obstante, estos métodos de autoensamblaje solo son capaces de crear heteroestructuras simples, en cambio la nueva técnica robótica se puede usar fácilmente para producir heteroestructuras tan complejas como el usuario las desee. En lugar de utilizar el enfoque “de arriba hacia abajo” comúnmente utilizado para fabricar dispositivos pequeños esculpiendo un material a granel (por ejemplo, en la industria del silicio, el punto de partida es una oblea de silicio macroscópica litografiada y grabada para definir transistores muy pequeños), en este trabajo usan el enfoque “de abajo hacia arriba” donde se fabrica un nanodispositivo acumulando capas atómicamente delgadas. La tecnología robótica presentada está en su inicio y es de esperar, a corto plazo,  un aumento considerable de la velocidad de ensamblado de las nanoestructuras.

Lectura complementaria: Autonomous robotic searching and assembly of two-dimensional crystals to build van der Waals superlattices

Vacunas 3D nanoestructuradas para combatir el cáncer y las enfermedades Infecciosas.

Científicos de la Universidad de Harvard han demostrado que una inyección no quirúrgica de biomaterial programable puede formar espontáneamente en vivo una nanoestructura 3D con posibilidad de ayudar a prevenir el cáncer y también enfermedades infecciosas como el VIH. El artículo “Injectable 3D vaccines could fight cancer and infectious diseases” se publicó el 8 de diciembre de 2014 en la revista Nature Biotechnology. El objetivo del trabajo consiste en crear estructuras 3D como una entrega mínimamente invasiva para enriquecer y activar las células inmunes del huésped y atacar  in vivo a las células dañinas. Las estructuras en forma de varilla, a base de sílice, conocidas como barras de sílice mesoporosas (MSR), se pueden cargar con componentes biológicos y químicos para ser luego entregadas por la aguja justo debajo de la piel. Las nanovarillas se ensamblan espontáneamente en el lugar de la vacunación para formar un andamio tridimensional. Sintetizadas en el laboratorio, las MSR se construyen con agujeros pequeños en su interior, conocidos como nanoporos. Los nanoporos pueden rellenarse con citoquinas específicas, oligonucleótidos, grandes antígenos de proteína, o cualquier variedad de fármacos de interés permitiendo un gran número de posibles combinaciones para tratar una variedad de enfermedades. Cuando los espacios porosos en la estructura formada por las MSR son programados para llenarse con células dendríticas (las células "de vigilancia" que controlan el cuerpo), éstas luego se liberan y desencadenan una respuesta inmune ante una presencia nociva. Hasta ahora, los investigadores, sólo han probado la vacuna 3D en ratones pero con resultados altamente eficaces. Un experimento mostró que el andamio 3D inyectable reclutó y atrajo a millones de células dendríticas en un ratón huésped antes de la dispersión de las células en los ganglios linfáticos  desencadenando una respuesta inmune potente. Las vacunas se pueden fabricar fácil y rápidamente de manera de estar disponibles a la brevedad ante la presencia de una enfermedad infecciosa emergente.

Vacunas 3D micro-nanoestructuradas y programables conteniendo distintos biomateriales para combatir las enfermedades infecciosas y el cáncer, toda una apuesta a un futuro más saludable.