Creating Biomedical Technologies to Improve Health

Mediante nanotecnología blanda se obtienen imágenes de tumores

Thursday, December 22, 2005

La detección de células metastásicas latentes es un objetivo crítico pero elusivo en el tratamiento contra el cáncer. Para encontrar estas células los investigadores están desarrollando técnicas no invasivas de obtención de imágenes óptimas que sean menos costosas y más accesibles que las técnicas de obtención de imágenes basadas en resonancia magnética y que no tengan los efectos colaterales asociados con los agentes radioactivos de obtención de imágenes.

La clave de este nuevo método es una forma blanda de nanotecnología llamada polimersomas, “burbujas” flexibles, microscópicas fabricadas con polímeros (moléculas de cadena larga compuestas por unidades más pequeñas repetidas). La estructura única de un polimersoma y las propiedades de los materiales permite que puedan llevar una amplia gama de compuestos en su membrana resistente al agua.

En un experimento reciente, Peter Ghoroghchian, un estudiante graduado del Departamento de Bioingeniería de la Universidad de Pensilvania, engastó materiales fluorescentes llamados porfirinas en la membrana de un polimersoma. Después de inyectar estos polimersomas emisivos directamente en un tumor un centímetro detrás de la superficie de la piel de un ratón, expuso el ratón a luz infrarroja cercana. Las porfirinas emitieron señales infrarrojas cercanas detectables en la superficie de la piel. Las moléculas emisoras de luz brillante permitieron al equipo de investigadores de la Universidad de Pensilvania y la Universidad de Minesota obtener imágenes de un tumor.

“Estos ensamblajes a nanoescala [polimersomas] pueden generar señales infrarrojas cercanas intensas y muy localizadas necesarias para penetrar en los tejidos de tumores densos de un animal vivo”, dice el Dr. Michael Therien, profesor de química de la Universidad de Pensilvania e investigador coprincipal del proyecto. “En contraste con los agentes de obtención de imágenes ópticas basados en material duro, los robustos polimersomas emisivos de luz infrarroja cercana son ideales para impactar en una amplia gama de aplicaciones médicas”.

Penetración profunda con luz infrarroja cercana

Los componentes activados por longitudes de onda infrarrojas cercanas se eligieron porque los haces de luz infrarroja cercana no son absorbidos por el agua, la hemoglobina y otros compuestos que forman el tejido vivo. Por consiguiente, pueden penetrar profundamente en el tejido. Se han utilizado otros colorantes para que las imágenes ópticas emitan en el ultravioleta o porción visible del espectro óptico y puedan penetrar sólo aproximadamente un milímetro.

La salida grande de señales de los nanopolimersomas emisivos de luz infrarroja cercana permitirá obtener imágenes del tejido a una profundidad de 10 a 12 cm en el tejido mamario y de 5 a 6 cm en el músculo, según Therien.

“Esto permite ver una amplia diversidad de tumores con actividad superficial que podríamos detectar usando este método óptico—cánceres de piel, tumores mamarios, cáncer cervicouterino y cánceres gastrointestinales”, dice el Dr. Daniel Hammer, Jefe del Departamento de Bioingeniería de la Universidad de Pensilvania, e investigador coprincipal del proyecto.

Ventajas sobre otras microburbujas

Los polimersomas tienen varias ventajas comparados con los liposomas, microburbujas que se han estado utilizando durante más de una década para administrar fármacos terapéuticos. “Los polimersomas son 20-50 veces más resistentes. Esto significa que pueden meterse a través de la microcirculación y no se disgregan", declara Hammer. La resistencia mecánica que muestran los polimersomas ofrece una ventaja frente a los liposomas para la administración de fármacos terapéuticos porque “el contenido del interior del polimersoma circulará durante más tiempo”, dice.

Además, las membranas de los liposomas son demasiado delgadas para acomodar moléculas grandes como los colorantes para la obtención de imágenes ópticas llamados fluoroforos. Al elegir la longitud del polímero, los investigadores pueden ajustar el grosor de la membrana del polimersoma para acomodar una amplia variedad de compuestos, lo que les permitirá adaptar la función de un polimersoma a una amplia gama de aplicaciones médicas.

Los polimersomas también superan los problemas estructurales y de toxicidad relacionados con los puntos cuánticos, una nanotecnología no flexible para obtención de imágenes por infrarrojos compuesta de metales semiconductores. “Los polimersomas emisivos de luz infrarroja cercana se basan en materiales que no son tóxicos y son deformables”, dice Therien. Los agentes de obtención de imágenes de materia dura basados en puntos cuánticos “no pueden bioreabsorberse, y utilizan componentes cuya toxicidad es conocida en su forma elemental. Además, la agregación de materia dura en el sistema circulatorio podría bloquear un capilar y causar un ictus”, afirma.

Objetivo: Células cancerosas

Todavía quedan varios años por delante en los estudios clínicos de los polimersomas, pero los investigadores se están enfocando ahora en dirigirse y obtener imágenes de tipos celulares específicos con polimersomas utilizando modelos animales. Ghoroghchian está actualmente liderando un esfuerzo para crear versiones dirigidas de polimersomas emisivos de luz infrarroja cercana.

"Las células cancerosas poseen marcadores químicos únicos en sus superficies”, dice Therien. “Pueden obtenerse imágenes selectivas del cáncer o de células inflamatorias acoplando compuestos químicos a polimersomas emisivos que se unan a marcadores químicos de las superficies de estas células. Puesto que la amplitud de las señales emisivas que emanan de los polimersomas emisivos de luz infrarroja cercana está directamente relacionada con el número existente de células cancerosas, este método de obtención de imágenes ópticas proporciona al médico información cuantitativa que sería imposible de obtener con técnicas como la resonancia magnética". Este proyecto ayudaría a detectar tumores pequeños o inactivos o metástasis latentes que afecten solo a un pequeño número de células.

Para mejorar la estadificación y clasificación de los tumores, los investigadores están desarrollando polimersomas que caractericen los cambios de un tumor a lo largo del tiempo. Al formular fluoroforos que emitan a diferentes longitudes de onda, los investigadores pueden crear una familia de polimersomas cuyo objetivo sean varios receptores en la superficie de un tumor. “Estos receptores ofrecen un índice de cómo ha evolucionado o mutado el tumor”, dice Hammer. Una imagen más clara del tumor en desarrollo “permitiría al médico determinar la mejor línea de tratamiento para esa cepa particular de tumor”, añade.

Nuevas posibilidades de los polimersomas

También están en fase de desarrollo polimersomas que administrarían fármacos quimioterapéuticos directamente al tumor. La superficie de los polimersomas portaría una molécula que se uniría a las células tumorales, su membrana dispersaría fluoroforos para la obtención de imágenes ópticas, y llevaría en su interior la "carga útil" quimiterapéutica. Actualmente, los investigadores están diseñando un mecanismo que permitiría que un estímulo externo, tal como la exposición a la luz o un cambio repentino de temperatura, destruyera la membrana del polimersoma, liberando así el fármaco terapéutico.

Si se obtienen buenos resultados, este método permitiría a los médicos administrar quimioterapia de una manera mucho más precisa: La obtención de imágenes ópticas les permitiría confirmar que los polimersomas han alcanzado y se han unido al tumor objetivo, mientras que el estímulo externo desencadenaría la liberación del fármaco quimioterapéutico directamente en el tumor.

Estas nanopartículas sintéticas, aunque biocompatibles, ofrecen un nuevo modo de transporte de agentes para la obtención de imágenes ópticas así como un mejor método de control de las enfermedades. “Estamos entusiasmados con los polimersomas emisivos de luz infrarroja cercana porque son increíblemente versátiles”, dice Hammer. “Las propiedades de sus materiales pueden diseñarse para la tarea específica para la que vayan a utilizarse. Pensamos que esto representa un nuevo paradigma que tendrá muchas aplicaciones médicas diferentes”.

Referencia

Ghoroghchian PP, Frail PR, Susumu K, Blessington D, Brannan AK, Bates FS, Chance B, Hammer DA, Therien MJ. Near-infrared-emissive polymersomes: Self-assembled soft matter for in vivo optical imaging, Proceedings of the National Academy of Sciences, 102, 2922-2927, 2005.

De izquierda a derecha: Dr. Daniel Hammer, Peter Ghoroghchian, y Dr. Michael J. Therien

De izquierda a derecha: Dr. Daniel Hammer, Peter Ghoroghchian, y Dr. Michael J. Therien