El impacto del cáncer en la salud mundial es sorprendente e innegable. Según el World Cancer Research Fund International, solo en 2020 se diagnosticaron 18 094 716 casos de cáncer en todo el mundo.

El impacto del cáncer solo aumentará, ya que Cancer Research UK predice que para 2040 habrá 27,5 millones de nuevos casos de cáncer en todo el mundo cada año.

Una forma de tratar el cáncer es usar quimioterapia para matar las células que se multiplican y crecen rápidamente en el cuerpo. Si bien la quimioterapia suele ser notablemente eficaz para eliminar las células cancerosas, a nivel celular es indiscriminada. Como resultado, la quimioterapia causa efectos secundarios dañinos debido a sus efectos no específicos en partes sanas del cuerpo.

Los efectos «fuera del objetivo» de la quimioterapia pueden mitigarse con inyecciones localizadas. Supervisar la distribución de estos medicamentos después de la administración es un gran desafío que superar, ya que comprender la distribución de los medicamentos es el primer paso crítico para reducir los efectos no deseados.

En un artículo publicado en la revista ciencia avanzadaLa investigadora de la Universidad de California, Raina Michelle Borum, y sus coautores investigaron cómo los tintes moleculares y las biomoléculas pueden autoensamblarse en sondas de señalización activables o «activadas» para biosensores e imágenes biomoleculares.

La plataforma del equipo podría usarse para monitorear medicamentos moleculares en detalle y en tiempo real, lo que permitiría una mejor comprensión de sus efectos secundarios y potencias, o la falta de ellos, lo que conduciría a mejores estrategias de tratamiento e incluso tratamientos personalizados contra enfermedades crónicas.

La solución del equipo para en vivo La imagen molecular es una red densamente empaquetada de hebras de ADN cargadas en un biotinta de hidrogel biodegradable, útil porque las moléculas pequeñas tienden a adherirse al ADN.

«en vivo La imagenología molecular es la única técnica que puede relacionar los eventos biomoleculares subyacentes a una enfermedad con su localización anatómica y sus efectos en un sistema vivo, lo que otorga a la imagenología biomolecular un valor significativo para comprender la salud, la enfermedad e incluso la farmacocinética de ciertos medicamentos”, dijo Borum. «En este trabajo de prueba de concepto, utilizamos una forma de ultrasonido no invasivo con materiales biodegradables para generar imágenes directamente de un medicamento contra el cáncer y probarlo en ratones con tumores.

«Nuestra investigación ofrece un nuevo enfoque para monitorear el progreso de la quimioterapia sin radiación ionizante».

Ayudar a controlar y mejorar la quimioterapia.

Durante décadas, dice Borum, el uso de fluorodesoxiglucosa con tomografía por emisión de positrones (PET) ha tenido un valor inmenso en el diagnóstico del cáncer al resolver el metabolismo de la glucosa en tumores de rápido crecimiento. Sin embargo, PET se basa en la radiación ionizante para crear imágenes, aunque esta radiación, que elimina los electrones de los átomos, puede alterar la forma en que se pliegan las proteínas, lo que provoca daños en el ADN.

«En nuestro trabajo era importante que desarrolláramos una técnica sin radiación ionizante y al mismo tiempo obtuviéramos una imagen directa de la molécula terapéutica», dijo. “Nuestra molécula es visible a través de imágenes fotoacústicas. Absorbe la luz infrarroja cercana, ‘foto’, y traduce esa energía absorbida en calor disipado y, por lo tanto, ondas mecánicas detectables, ‘acústicas’, para el contraste molecular junto con las imágenes de ultrasonido».

Borum explicó que actualmente muchas drogas no se controlan en absoluto, por lo que es difícil caracterizar completamente las diferentes respuestas a las drogas de una persona a otra. Esto se debe en parte a que es difícil mantener una relación señal-ruido adecuada de un fármaco molecular una vez que se ha liberado en el organismo.

«Las moléculas de fármacos a menudo se empaquetan en un transportador, como una nanopartícula, pero pueden ser difíciles de visualizar y rastrear una vez que se liberan del transportador y se liberan en el tejido», dijo Borum. “Por esta razón, solo existe una comprensión limitada de la causa del fracaso de los medicamentos; podría ser un fracaso para alcanzar la meta o una falta de respuesta del paciente.

«Si un fármaco de molécula pequeña puede permanecer visible después de su liberación, puede proporcionar información valiosa sobre el destino del fármaco».

El equipo intentó lograr esto a través de su Bioink, que consiste en una densa red de hebras de ADN entrecruzadas entre sí por una forma de enlace molecular que crea la doble hélice convencional que imaginamos cuando pensamos en el ADN, pero colocada en una «columna vertebral» de hidrogel.

«Esta columna vertebral es útil por dos razones», señala Borum. “Primero, muchas moléculas pequeñas tienen una propensión a unirse físicamente al ADN, como nuestra molécula de colorante de drogas, lo que las convierte en un vehículo eficaz. En segundo lugar, nuestros cuerpos son ricos en enzimas que eliminan el ADN extraño, por lo que este es un material totalmente biodegradable”.

Es decir, cuando el nuevo hidrogel del equipo se inyecta en el tejido vivo, estas enzimas digieren y descomponen el esqueleto del hidrogel, lo que hace que el enlace entre el fármaco y el tinte se filtre, y esta liberación se puede observar mediante técnicas de imagen.

in vivo hydrogel imaging
Imágenes in vivo del hidrogel

Este tinte de fármaco densamente empaquetado cargado en un esqueleto de hidrogel también proporcionó una propiedad única y sorprendente. En lugar de simplemente desvanecerse a medida que el tinte sale del hidrogel que se disuelve, la señal puede absorber una nueva longitud de onda máxima o una frecuencia ligeramente diferente de luz roja infrarroja cercana.

Es decir, cuando la droga está libre en una solución como el agua, permanece visible y absorbe una longitud de onda de luz diferente. Estos cambios en la absorción indican cuándo se degrada el hidrogel y, por tanto, cuándo y dónde se libera el fármaco.

planes futuros

Aunque se probó en ratones portadores de tumores, Borum confía en que la plataforma Bioink/Hydrogel que ella y su equipo desarrollaron tiene aplicabilidad en otros tipos de tumores accesibles mediante inyección directa. Sin embargo, antes de que la plataforma pueda usarse en humanos, se necesitan más pruebas.

«Es emocionante ver más demostraciones de que la naturaleza ha proporcionado muchos componentes básicos y herramientas moleculares con beneficios que aún no apreciamos», dijo Borum. «Pero debemos asegurarnos de que sean absolutamente seguros, por lo que el uso de productos biológicos para andamios diseñados, como este esqueleto de ADN de hidrogel, requerirá mucha más investigación sobre los efectos adversos que pueden ocurrir en diferentes aplicaciones».

En términos de farmacovigilancia, Borum dijo que ella y su equipo usaron una molécula quimioterapéutica muy convencional como prueba de concepto. Dicho esto, cree que sería interesante monitorear o «etiquetar» algunas terapias contra el cáncer nuevas y emergentes, como los anticuerpos inmunoterapéuticos y varias especies de ARN.

Ella sugiere que las pruebas adicionales también deberían examinar el uso de colorantes diferentes del colorante azul de metileno utilizado por el equipo para ver cómo esos colorantes afectan el comportamiento de las moléculas de fármacos marcadas.

«El desarrollo de otros colorantes absorbentes de longitud de onda larga económicos, escalables, solubles, activables y biocompatibles puede ampliar el impacto de la imagen molecular», concluyó Borum. «Si estos tipos de tintes pueden introducirse más a medida que las imágenes fotoacústicas cobran impulso hacia las aplicaciones clínicas, podría ser un avance emocionante».

Referencia: Jesse V. Jokerst, et al., Carga supramolecular de hidrogeles de ADN con conjugados de colorante y fármaco para el control fotoacústico en tiempo real de la quimioterapia, Advanced Science (2022). DOI: 10.1002/advs.202204330

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