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Chips hiperminiaturizados pueden detectar enfermedades desde el interior de la célula viva

Un grupo de investigadores logró miniaturizar 1.000 millones de veces los chips que se utilizan para el análisis simultáneo de diferentes moléculas

En el estudio y detección de enfermedades es habitual emplear chips planares, como, por ejemplo, los chips de ADN, con los que se comparan los niveles de expresión de genes entre células sanas y células que están desarrollando la enfermedad. Un grupo de investigadores, liderado por el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), ha logrado miniaturizar 1.000 millones de veces este tipo de chips que se utiliza para el análisis simultáneo de diferentes moléculas. El trabajo, publicado en la revista Advanced Materials, destaca que al reducir el tamaño de estos dispositivos, se pueden introducir en una célula viva, abriendo la posibilidad a estudios más precisos en el campo de la medicina.

“Los dispositivos que se emplean en la actualidad suelen medir unos cinco centímetros y eso obliga a destruir las células para analizar su interior. Sin embargo, al miniaturizar los chips es posible introducirlos en células vivas mediante lipofección, una técnica que consiste en recubrir el dispositivo con una capa de lípidos que se fusiona con la membrana de la célula. De este modo, se pueden monitorizar los cambios que experimenta la célula a lo largo del tiempo sin necesidad de matarla”, explica José Antonio Plaza, científico del CSIC en el Instituto de Microelectrónica de Barcelona y coordinador del estudio.

Para fabricar estos dispositivos, que están realizados en dióxido de silicio, los expertos se han basado en técnicas empleadas en la industria de chips microelectrónicos y la estampación selectiva de biomoléculas, método en el que la tinta empleada es una disolución de moléculas. El resultado son chips que, además de permitir el análisis de células sin necesidad de destruirlas, facilitan su estudio individual.

“Este tipo de análisis es de gran interés porque se ha descubierto que la heterogeneidad en una misma población celular es importante en muchos procesos fisiológicos y patológicos”, señala la investigadora Teresa Suárez, del Centro de Investigaciones Biológicas de Madrid.

 

 

Además del Instituto de Microelectrónica de Barcelona y el Centro de Investigaciones Biológicas, ambos del CSIC, en este trabajo han participado la Universidad de Barcelona y el Instituto de Bioingeniería de Cataluña, que han llevado a cabo la funcionalización química de los dispositivos para dotarlos de funcionalidad. Se trata de un proyecto financiado por el Plan Nacional de Investigación Científica y Técnica y de Innovación.

Publicación original: Suspended Planar-Array Chips for Molecular Multiplexing at the Microscale

Fuente: CSIC. Aportado por Eduardo J. Carletti

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Nanopartículas disfrazadas de fragmentos de células de la sangre se deslizan pasando defensa inmune del cuerpo

Los investigadores dicen que han encontrado una manera de pasar de contrabando nanopartículas portadoras de drogas sobrepasando el sistema inmunológico del cuerpo: camuflándolas para parecerse a fragmentos de células que se encuentran en la sangre humana

Micrografía electrónica de las nanopartículas con recubrimiento de plaquetas

Se pueden diseñar nanopartículas artificiales —creadas a partir de plástico o de metal— para entregar una dosis de medicamento a áreas específicas del cuerpo. Pero a menudo son atacados y tragados por el sistema de defensa natural del cuerpo, que los ve como invasores del exterior.

Las partículas disfrazadas no sólo son capaces de evadir la detección, sino que también explotan las propiedades naturales de las plaquetas para tratar las infecciones bacterianas y para reparar los vasos sanguíneos dañados con más eficacia que las formas convencionales de entrega de medicamentos, informa el equipo. Los investigadores fueron dirigidos por Liangfang Zhang de la Universidad de California, San Diego, y publicaron su trabajo en la revista Nature el 16 de septiembre.

El equipo de Zhang comenzó con partículas de un tamaño de 100 nanómetros hechas del polímero biodegradable PLGA, y las recubrió con membranas extraídas de plaquetas humanas, fragmentos de células encontradas en la sangre que se acumulan en los sitios de daño tisular y comienzan el proceso de coagulación. Esto ayuda a las partículas a evadir el sistema inmune, dicen los autores.

Los investigadores han intentado previamente unir las piezas clave de membranas de plaquetas en nanopartículas para evitar el ataque inmunológico; en particular, la proteína CD47 de la plaqueta. Esa proteína envía una señal «no me comas» al sistema inmunológico del cuerpo, dice Dennis Discher, un nanoingeniero en la Universidad de Pennsylvania en Filadelfia. Sin embargo, las nanopartículas de Zhang cuentan con el conjunto más completo de proteínas de membrana, dice Omid Farokhzad, médico y nanotecnólogo en el Hospital Brigham y de Mujeres en Boston, Massachusetts, que escribió un artículo de News & Views que acompañó el artículo científico.

Asesinos encapuchados

Las nanopartículas recubiertas de plaquetas tienen otras ventajas. Las bacterias como Staphylococcus aureus resistente a meticilina (SARM), resistentes a la meticilina, por ejemplo, pueden pegarse a las plaquetas; una característica que explotan para protegerse del sistema inmunológico. Esto hace que, naturalmente, sea más probable que interactúen con nanopartículas recubiertas. Las plaquetas también son atraídas a las áreas específicas del cuerpo donde está ocurriendo el daño tisular.

Las partículas aprovechan las capacidades naturales únicas de las plaquetas», dice Samir Mitragotri, ingeniero químico de la Universidad de California, Santa Barbara, que no participó en el trabajo. «Este un enfoque muy innovador», añade.

El equipo de Zhang inyectó nanopartículas «encapuchadas» —con antibióticos en el interior— en ratones infectados con SARM (Staphylococcus aureus resistente a meticilina). Esto redujo las poblaciones de bacterias SARM en el hígado y el bazo 1.000 veces en comparación a cuando a los ratones se les dio antibióticos convencionales, y requiere sólo una sexta parte de la dosis del fármaco convencional. (En otros órganos, las nanopartículas también fueron más eficaces que la administración convencional de fármacos, pero la diferencia fue menos pronunciada).

El equipo también explotó el hecho de que las plaquetas tienden a migrar a los vasos sanguíneos dañados. Cargaron nanopartículas camufladas con el medicamento llamado docetaxel, para ver si se podía evitar el exceso de engrosamiento de las paredes arteriales dañadas (un efecto que puede causar problemas después de la cirugía). Cuando se inyectaron estas nanopartículas en las ratas que tenían dañados los vasos sanguíneos, las partículas se agruparon en concentraciones más grandes en los sitios dañados que en el tejido sano de las ratas. Y el tratamiento con docetaxel fue más eficaz cuando se administró de esta manera que cuando fue entregado en el torrente sanguíneo sin necesidad de utilizar nanopartículas, mostró el equipo.

Es impresionante la capacidad de administrar dosis altas de medicamentos a esos sitios, evitando las células del sistema inmunológico, llamadas macrófagos, que normalmente destruyen la mayoría de las nanopartículas incluso en los sitios de la enfermedad, dice Discher.

Signos de interrogación

Pero no todo el mundo está convencido de la capacidad de ocultar las partículas. Aunque una pequeña fracción de las partículas se agruparon en los sitios de la enfermedad, la gran mayoría de ellas terminó rápidamente en el hígado y el bazo de los animales; lo que sugiere que la mayoría de las partículas todavía seguían siendo capturadas por las defensas inmunitarias en esos lugares, dice Moein Moghimi, un especialista en productos farmacéuticos nanotecnológicos en la Universidad de Copenhague. Moghimi piensa que se necesita un examen mucho más riguroso de la respuesta inmune del cuerpo a las partículas.

 

 

Zhang dice que su equipo planea a continuación hacer grandes cantidades de estas nanopartículas encapuchadas, y probar su uso en animales más grandes antes de que las terapias lleguen a ser ensayadas en humanos. Debido a que las plaquetas tienden a agruparse alrededor de las células cancerosas en la sangre, así como alrededor de las bacterias, el equipo va a ver a continuación si se podrían utilizar las nanopartículas disimuladas para atacar el cáncer, añade.

El desarrollo de terapias de nanopartículas híbridas que combinen componentes sintéticos y biológicos será un camino largo y lleno de baches, dice Farokhzad. «Pero se trata de una tecnología por la que apostaría. Absolutamente. Creo que la promesa es enorme».

Nature doi: 10.1038/nature.2015.18380

Fuente: Nature News. Aportado por Eduardo J. Carletti

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Un tentáculo robótico blando que puede enlazar una hormiga sin dañarla

Se trata de un sistema sencillo que permite que unos mini tentáculos puedan sostener objetos a microescala, como huevos de peces, sin romperlos». Este dispositivo robótico de pequeñas dimensiones también podría tener aplicación en dispositivos para la microcirugía, o en aparatos para manipular células o tejidos minúsculos

Hace poco más de un año, la prensa se hacía eco del caso de Dennis Aabo, un danés de 36 años que perdió la mano tras un accidente con la manipulación de fuegos artificiales. Gracias a su participación en un ensayo clínico, se convirtió en el primer amputado del mundo capaz de controlar su prótesis en tiempo real. Con la incorporación de un complejo sistema de sensores, no sólo el cerebro del paciente enviaba señales a la mano biónica para coger, por ejemplo, un vaso, sino que también lograba que la prótesis transmitiera información al cerebro para modular la fuerza necesaria para sostener según el objeto, sin aplastarlo ni romperlo.

Como explican los expertos, las prótesis que se usan hoy en día son muy sencillas. Permiten movimientos muy limitados, abrir y cerrar la mano, por ejemplo. Algunas tienen sensores de temperatura, es decir, cuando el objeto está muy caliente se enciende una luz, pero carecen de un mecanismo que permita la bidireccionalidad de la información. «Aún no sabemos muy bien cómo conseguirlo. Varios equipos de investigadores están trabajando en ello», apunta Eduardo Fernández, investigador de la Universidad Miguel Hernández (Elche, Alicante) y del Ciber-bbn (Centro de Investigación Biomédica en Red Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina), que también está trabajando en un proyecto similar, en colaboración con un grupo de científicos de la Universidad de Utah (EEUU), con electrodos tridimensionales.

Ahora, la revista Nature presenta un nuevo avance relacionado con el campo de la robótica que quizás pudiera tener aplicación como un sensor capaz de regular la presión que la mano artificial debe imprimir para sujetar objetos delicados. Consiste en un microtubo flexible realizado a partir de material PDMS, un polímero biocompatible, es decir, «no provoca inflamaciones y es tolerado por los tejidos internos del organismo«, aclara Fernández. Esta especie de tentáculo, del grosor aproximado de un cabello, se va enrollando en forma de espiral más o menos a medida que se le inyecta aire. De esta manera, con distintas presiones logra modular su fuerza con la precisión adecuada como para sostener cualquier tipo de insecto, por ejemplo, una hormiga, sin dañar su cuerpo. Así lo demuestra un grupo de científicos de la Universidad de Iowa (EEUU).

Se trata de un sistema sencillo con el que «conseguimos que estos mini tentáculos sostengan objetos a microescala, como huevos de peces, sin romperlos», resume Jaeyoun Kim, principal autor del estudio. Este trabajo robótico de pequeñas dimensiones también podría tener aplicación en dispositivos para la microcirugía o aparatos para manipular células o tejidos minúsculos. Quizás incluso tenga un papel en el trabajo que están desarrollando varios equipos de científicos con el objetivo de diseñar «robots internos con cámara de vídeo. La idea es introducirlos en el cuerpo (a través de pastillas) para que examinen el estado de organismo», señala Fernández. Es posible que, en un futuro, además de esta función, sistemas como el de los tentáculos inventados por Kim logren también manipular o extraer muestras celulares para analizar.

Nanomedicina para el corazón

Otro de los avances ‘micro’ que esta semana sale a la luz, esta vez en la revista Science Translational Medicine, tiene que ver con las nanopartículas. Cuando las arterias coronarias se obstruyen y dan lugar a un infarto o angina de pecho, el bypass es una de las intervenciones quirúrgicas más frecuentes para tratar dichas patologías, consigue mejorar el riego sanguíneo al miocardio. Consiste en utilizar una vena o arteria de otra parte del cuerpo para ‘construir’ un puente entre las zonas sanas de la arteria obstruida. Existen dos tipos: injertos arteriales (de la arteria mamaria o radial) y venosos (de safena, que es una vena de la pierna).

Aproximadamente «la mitad de los injertos venosos empiezan a obstruirse de nuevo a los 12-18 meses tras la operación», argumentan en el artículo los autores del departamento de Ingeniería Biomédica de la Universidad Vanderbilt (EEUU). Generalmente, como resultado de la hiperplasia intimal, engrosamiento de la pared del vaso sanguíneo. Lo que ocurre es que, por estímulos mecánicos, la sangre interacciona con las paredes y va deformándolas. En esta interacción «se van liberando factores inflamatorios en los vasos sanguíneos».

Aunque no siempre es necesario tratarlo, puede producir estenosis por la formación de una nueva placa de ateroma. «Un péptido conocido como MK2i, actualmente en ensayos clínicos, puede bloquear esa liberación de factores inflamatorios», apunta Craig Duvall, uno de los autores del trabajo. Sin embargo, «dicho fármaco se degrada demasiado rápido dentro de las células». Para mejorar la eficacia de MK2i, Brian Evans y su equipo han desarrollado una nanopartícula con carga eléctrica llamada nanopolytex. «Envuelve y transporta el medicamento directamente hasta su objetivo» y con la idea de degradarse a una velocidad adecuada. Después de probarla in vitro sobre células humanas y también en un modelo animal (conejo), se ha visto que las nanopartículas cargadas con el péptido MK2i reducen la hiperplasia intimal, manteniendo la inflamación controlada.

Los resultados sugieren, concluyen los investigadores «que los nanopolyplexes ofrecen un prometedor sistema de administración de fármacos para mejorar la eficacia de la terapéutica de péptidos tales como MK2i para proteger los injertos venosos del fracaso».

Nanopartículas ‘españolas’ para la visión

Un trabajo similar está realizando un grupo de científicos en España, entre los que se encuentra Eduardo Fernández. «Estamos trabajando en nanopartículas (vectores no virales) que transporten material genético al interior de la retina para hacer liberación controlada de ADN» con el objetivo de intentar paliar «enfermedades degenerativas de la retina, como la Degeneración Macular Asociada a la Edad (DMAE) y la retinosis pigmentaria, que son los responsables de casi el 50% de todos los casos de baja visión». Desde la Universidad Miguel Hernández están colaborando con el CIBER-BBN.

 

 

Hasta ahora, expone el investigador, una de las formas mas comunes de llevar material genético al interior de las células es utilizar un virus que es modificado para que deje de ser patógeno. Sin embargo esta aproximación «presenta algunos problemas de seguridad y una gran limitación en cuanto al tamaño del material genético a transportar«. En este contexto «nuestro grupo, en colaboración con el Grupo de Tecnología Farmacéutica de la Universidad del País Vasco dirigido por el profesor José Luis Pedraz, trabaja en el desarrollo de nuevos vectores no virales, que puedan ser utilizados para una terapia génica efectiva y segura. El procedimiento es relativamente fácil ya que las nanopartículas son inyectadas directamente dentro del globo ocular y una vez aquí son captadas mediante endocitosis por las células de la retina». Estas nanopartículas incorporan sustancias que protegen el ADN y «moléculas directoras, como la protamina, que permiten dirigirlas hacia el núcleo celular. Además debido a su tamaño nanométrico y a sus múltiples posibilidades de funcionalización es posible facilitar su captación específica por distintos tipos celulares».

Esta nueva forma de terapia génica ha sido probada con éxito en animales. «Creemos que estos resultados son muy prometedores, aunque es evidente que todavía queda mucho trabajo por hacer».

Fuente: El Mundo. Aportado por Eduardo J. Carletti

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