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Pavimentación de nanodispositivos de ADN tipo virus que diagnostican enfermedades y fabrican drogas
La nanotecnología es un campo relativamente nuevo, pero en rápida expansión, donde los dispositivos diminutos y las herramientas de escala molecular ofrecen posibilidades interesantes para manipular células y sus componentes. Ahora los investigadores, copiando las tácticas utilizadas por los virus para evadir el sistema inmune, han creado los primeros nanodispositivos que sobreviven a las defensas inmunológicas del cuerpo. El logro proporciona una pieza que falta en el rompecabezas de cómo usar nanodispositivos a nivel celular.
Científicos del Instituto Wyss de Ingeniería Biológica Inspirada de Harvard en Boston, MA, dicen que su nanodispositivo de ADN ha completado con éxito su primera misión piloto.
Escribiendo en ACS Nano, concluyen que el logro proporciona "una plataforma para la ingeniería de nanodispositivos de ADN sofisticados y listos para la traducción".
Tales "nanorobots inteligentes de ADN" podrían usar la lógica para diagnosticar enfermedades como el cáncer antes de que los enfoques actuales sí lo hagan. También podrían dirigir los medicamentos directamente a los tumores elegidos, o incluso fabricarlos en el acto.
Imitando virus para apuntar a células específicas
El autor principal William Shih, profesor asociado de Química Biológica y Farmacología Molecular de la Facultad de Medicina de Harvard, dice:
"Estamos imitando la funcionalidad del virus para eventualmente crear productos terapéuticos que se dirijan específicamente a las células".
Los investigadores creen que el mismo método de camuflaje podría usarse para fabricar contenedores artificiales o "protocélulas" que podrían detectar toxinas en el agua potable o patógenos en los alimentos.
El ADN es principalmente conocido por su papel como transportador de información genética. Pero los investigadores detrás de este último estudio lo están viendo de manera diferente: ven el ADN como un material de construcción en 3D. Toman hilos de ADN y los programan para que se plieguen en formas que recuerdan al arte japonés del papiroflexia.
Específicamente, usan sus habilidades de origami a nanoescala para crear dispositivos de ADN que son cada vez más complejos en su forma y acercarse a la complejidad de la maquinaria molecular que se encuentra en las células.
El equipo está construyendo robots diminutos a partir de ADN. Estos nanorobots de ADN son capaces de varias funciones: pueden detectar su entorno, encontrar la manera de responder y luego hacer algo útil como activar una reacción química, realizar un movimiento o generar una fuerza mecánica.
Tales dispositivos no son nuevos. Por ejemplo, en 2012, los investigadores del Instituto Wyss informaron cómo idearon nanorobots de ADN de origami que se dirigen a las células cancerosas y entregan instrucciones que los hacen suicidarse.
También ese año, los científicos del Instituto de Tecnología de Massachusetts revelaron cómo idearon nanofábricas que podrían fabricar medicamentos en los sitios de los tumores. Sus nanopartículas producen proteínas cuando la luz ultravioleta brilla sobre ellas.
¿Cómo hacer que los nanorobots de ADN sean invisibles para el sistema inmune?
Un virus con envoltura (izquierda) se cubre con lípidos como parte de su ciclo de vida. Los nuevos nanodispositivos de ADN recubiertos de lípidos (derecha) se parecen mucho a esos virus y evaden las defensas inmunitarias de los ratones.
Crédito de la imagen: Steven Perrault / Harvard's Wyss Institute
Sin embargo, lo que se ha perdido es una forma de que los nanorobots eludan el sistema inmune, o al menos se esconden de él el tiempo suficiente para poder hacer su trabajo. Cuando el Prof. Shih y sus colegas inyectaron nanorobots en el torrente sanguíneo de los ratones, su sistema inmune los encontró rápidamente y los digirió.
El profesor Shih, quien también es profesor asociado de Biología del Cáncer en el Instituto del Cáncer Dana-Farber, dice que eso los llevó a preguntarse: "¿Cómo podríamos proteger nuestras partículas de la masticación?"
Encontraron la respuesta en la naturaleza. Un virus se esconde del sistema inmune del huésped con la ayuda de un dispositivo de camuflaje. El virus protege su genoma dentro de una capa de proteína sólida cubierta de una proteína oleosa, una doble capa de fosfolípidos, idéntica a la que contienen las membranas que rodean las células vivas del huésped.
El profesor Shih dice que se preguntaron si incluir su nanodispositivo dentro de un sobre tendría un efecto similar.
Para llegar a tal solución, primero doblaron el ADN en un octaedro del tamaño de un virus, luego construyeron mangos en los que colgar los lípidos, que luego dirigieron la membrana de doble capa para ensamblar alrededor del octaedro.
El nanodispositivo recubierto con bicapa lipídica se veía como un virus con envoltura
El nanodispositivo recubierto se veía como un virus con envoltura cuando se lo mira a través de un microscopio electrónico.
La siguiente etapa fue mostrar que el dispositivo con envoltura podría evadir el sistema inmune y sobrevivir en el cuerpo. Para hacer esto, los dispositivos se cargaron primero con tinte, luego se inyectaron en ratones. Utilizando imágenes de todo el cuerpo, los investigadores pudieron rastrear los nanodispositivos al ver qué partes de los ratones brillaban.
También tiñeron e inyectaron dispositivos no recubiertos en otro grupo de ratones. Estos solo brillaban en el área de la vejiga, mostrando que su sistema inmunológico los había descompuesto rápidamente y que sus cuerpos estaban listos para excretar sus restos.
Pero los ratones que fueron inyectados con nanodispositivos con envoltura contaron una historia diferente. Sus cuerpos enteros brillaron durante horas, mostrando que los nanodispositivos permanecieron en el torrente sanguíneo aproximadamente el mismo período de tiempo que las drogas efectivas.
Para demostrar que los dispositivos envueltos también habían eludido el sistema inmune, los investigadores midieron los niveles de dos moléculas inmuno-activadoras. Los niveles fueron 100 veces más altos en los ratones que recibieron nanodispositivos sin recubrimiento en comparación con los que recibieron recubiertos.
Los investigadores prevén nanorobots encubiertos haciendo cosas como activar el sistema inmune para combatir el cáncer, o suprimirlo para evitar que rechace el tejido trasplantado. Dicen que el punto principal es poder controlar el sistema inmune.
Los Institutos Nacionales de Salud, la Oficina de Investigación del Ejército del Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. Y el Instituto Wyss de la Universidad de Harvard aportaron fondos para el estudio.
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