Creating Biomedical Technologies to Improve Health

Terapia Mediada-por-Ultrasonido – ¿Ya llegamos?

Friday, April 27, 2007

Micrografía de transmisión electrónica que muestra una célula cancerosa de próstata, inmediatamente después de haber sido expuesta al ultrasonido. El color de la imagen se ha mejorado para mostrar el sitio donde fue extraída la membrana celular. Cortesía de imagen de Robyn Schlicher, Robert Apkarian, y Mark Baran.

Micrografía de transmisión electrónica que muestra una célula cancerosa de próstata, inmediatamente después de haber sido expuesta al ultrasonido. El color de la imagen se ha mejorado para mostrar el sitio donde fue extraída la membrana celular. Cortesía de imagen de Robyn Schlicher, Robert Apkarian, y Mark Baran.

Todo el mundo conoce las imágenes por ultrasonido que las mujeres encintas llevan consigo; ahora los científicos están adaptando la tecnología de ultrasonido no invasiva, para hacer llegar medicamentos y genes a órganos y tejidos específicos en el cuerpo. Algunos métodos tradicionales de administración de medicamentos son inadecuados para moléculas grandes como las proteínas y el ADN, de ahí la necesidad de mejores estrategias de administración de medicamentos. El ultrasonido tiene un gran potencial clínico en este campo.

Entendiendo el Mecanismo

Los científicos han sabido por mucho tiempo que el exponer células a niveles muy intensos de ultrasonido, y a frecuencias diferentes a las que se usan para diagnóstico, facilita la entrada de moléculas en células vivas, incrementando los efectos de las medicinas y la expresión génica. Sin embargo, el mecanismo por el cual el ultrasonido incrementa la permeabilidad de la membrana celular, era incierto hasta que el Dr. Mark Prausnitz, Profesor de Ingeniería Química y Biomédica en el Instituto Tecnológico de Georgia, y su equipo dirigieron su investigación hacia este fenómeno. Con la ayuda de varias técnicas de microscopio, los investigadores mostraron que el ultrasonido puede causar que burbujas oscilen y se colapsen violentamente en una suspensión de células – un proceso llamado “cavitación” – produciendo una onda de choque que a su vez provoca movimiento de fluido y abre agujeros en las membranas de las células. Estos agujeros permiten que macromoléculas, como las proteínas, penetren la célula antes de cerrarse en cuestión de minutos por un proceso de parchado interno.

Prausnitz y su equipo han visto que la magnitud de trastorno en la membrana celular varía dependiendo de los parámetros de ultrasonido utilizados. Mediante estudios de las condiciones físicas, acústicas, y biológicas en que las moléculas entran en las células, encontraron que el impacto del ultrasonido puede también matar las células. “La célula cuenta con su membrana plasmática para regular lo que hay dentro de la célula, de manera que cuando perturbas la membrana, todo tipo de moléculas pueden entrar y trastornar esa regulación. La célula se puede estresar demasiado por ello y por lo tanto intentar reparar la membrana vigorosamente. Si la ruptura en la membrana no es muy grande, ésta es capaz de resanarse por sí sola. Pero si es muy grande, tenemos evidencia de varias rutas bioquímicas de muerte celular programada, que se inician debido a dicho estrés”, dice Prausnitz.

Un reto grande que enfrentan los investigadores es determinar las características óptimas de ultrasonido que abrirán agujeros en las membranas celulares sin matar a las células, de tal manera que se pueda maximizar la entrada de medicamentos y al mismo tiempo mantener la viabilidad. El equipo de Prausnitz está investigando los mecanismos de los efectos celulares del ultrasonido. “Si podemos aprender más acerca de cómo las células responden a los trastornos en la membrana plasmática, tendremos una herramienta valiosa para diseñar un sistema terapéutico de ultrasonido controlable”, dice Joshua Hutcheson, un estudiante graduado del laboratorio de Prausnitz.

Posibilidades Clínicas

Prausnitz siente que la entrada de medicamentos mediada por ultrasonido tiene un gran potencial en aplicaciones diversas dentro del campo de la medicina terapéutica, ya que este proceso es independiente del tipo de célula o medicamento. Prausnitz también imagina otras aplicaciones en las que quizá la meta no sea introducir moléculas en células, sino penetrar más a fondo en el tejido multicelular para sensibilizarlo. “El ultrasonido puede ser capaz de abrir la permeabilidad del tejido como un todo y así llevar los medicamentos a ese tejido de manera general”, explica Prausnitz. El equipo está estudiando el efecto del ultrasonido en la absorción y viabilidad de células en arterias carótidas, extraídas de puercos como modelo de tejido tridimensional.

Se está llevando a cabo también una considerable actividad de investigación para entender los efectos biológicos del ultrasonido en el contexto de terapia genética. “Tal parece que el ultrasonido le hace otras cosas a la célula [además de mejorar la entrada de ADN] que podrían después mejorar la eficiencia de transfección de la célula”, dice Prausnitz.

Campo brillante (arriba) y fluorescencia/confocal (abajo) microscopía de células cancerosas de próstata antes de (izquierda), inmediatamente después de (centro), y mucho tiempo después de (derecha) ser expuestas al ultrasonido. Los huecos en las membranas celulares están marcados con flechas. Cortesía de imagen de Robyn Schlicher.

Campo brillante (arriba) y fluorescencia/confocal (abajo) microscopía de células cancerosas de próstata antes de (izquierda), inmediatamente después de (centro), y mucho tiempo después de (derecha) ser expuestas al ultrasonido. Los huecos en las membranas celulares están marcados con flechas. Cortesía de imagen de Robyn Schlicher.

Retos a Superar

Aplicaciones previas de ultrasonido, como herramienta de diagnóstico y como tratamiento para la pulverización de piedras de riñón y extirpación de tumores, entre otros usos, han contribuido al prestigio actual de la medicina ultrasónica como una tecnología no invasiva y muy bien desarrollada. Sin embargo, la aplicación terapéutica del ultrasonido para mejorar la eficacia de los medicamentos y la terapia genética, está todavía en la etapa inicial de desarrollo. “Si se pudieran controlar bien los parámetros del ultrasonido, se podría hacer llegar los medicamentos a regiones específicas del cuerpo. Por ejemplo, se podría identificar una región de tumor y dirigir los medicamentos a dicha región en particular. Esto podría minimizar los efectos secundarios comúnmente asociados con los tratamientos tradicionales de quimioterapia”, explica Hutcheson. Por lo tanto, el ultrasonido enfocado no invasivo tiene el potencial de mejorar el acceso de medicamentos y genes a tejidos identificados, minimizando los efectos secundarios, reduciendo las dosis de medicamentos, e incrementando la eficacia.

Prausnitz cree que se deben superar varios retos antes de poder usar la terapia mediada por ultrasonido en los humanos. Los investigadores necesitan determinar la actividad “cavitacional” óptima, así como otros parámetros físicos y químicos dentro del cuerpo, para cada aplicación específica. Para controlar el impacto del ultrasonido en las células, los investigadores necesitan antes entender mejor los rutas que conllevan a la muerte de células, de manera que se conserve la máxima viabilidad celular. Se necesitan estudios subsecuentes para determinar si otras células y rutas fisiológicas son afectadas por el ultrasonido. Queda todavía un camino largo por recorrer para poder validar totalmente las demostraciones iniciales de que los efectos biológicos del ultrasonido, que son efectivos y deseables in vitro – mejor transfección y mayor sensibilidad a la quimioterapia y otros agentes – son reproducibles in vivo.

La evidencia de otros campos de investigación indica que las membranas celulares continuamente se rasgan y se reparan dentro del cuerpo sin consecuencias a largo plazo. Impactos mecánicos, como los latidos del corazón, la motilidad del intestino, y el movimiento de los músculos, rasgan las células en nuestros cuerpos, y un mecanismo similar de reparación de membranas, como el presentado por el equipo de Prausnitz, se demostró anteriormente con estos impactos mecánicos. Mientras que esta información podría indicar que las células también soportarían los efectos del ultrasonido, se necesitan estudios más completos para corroborar dicha hipótesis y tratar otros asuntos de seguridad.

A pesar de los obstáculos, Prausnitz y la comunidad de investigadores en ultrasonido, se mantienen optimistas de que llegará el día en que la terapia mediada por ultrasonido será ampliamente usada en los humanos.

Esta investigación está en parte financiada por el Instituto Nacional de Imágenes Biomédicas y Bioingeniería (NIBIB por sus siglas en inglés) y por CytoDome.

Referencias

Hallow DH, Mahajan AD, Prausnitz MR. Ultrasonically targeted delivery into endothelial and smooth muscle cells in ex vivo arteries. J Control Release. 2007 Apr 23;118(3):285-93.

Campbell P, Prausnitz MR. Future directions for therapeutic ultrasound. Ultrasound Med Biol. 2007 Apr;33(4):657.

Schlicher RK, Radhakrishna H, Tolentino TP, Apkarian RP, Zarnitsyn V, Prausnitz MR. Mechanism of intracellular delivery by acoustic cavitation. Ultrasound Med Biol. 2006 Jun;32(6):915-24.

Zarnitsyn VG, Prausnitz MR. Physical parameters influencing optimization of ultrasound-mediated DNA transfection. Ultrasound Med Biol. 2004 Apr;30(4):527-38.

Keyhani K, Guzman HR, Parsons A, Lewis TN, Prausnitz MR. Intracellular drug delivery using low-frequency ultrasound: Quantification of molecular uptake and cell viability. Pharm Res. 2001 Nov;18(11):1514-20.

Dr. Mark R. Prausnitz