Esta ilustración muestra moléculas de ADN (verde claro), empaquetado en nanopartículas usando un polímero con dos segmentos diferentes. Un segmento (verde azulado) lleva una carga positiva que lo une al ADN, y el otro (marrón) forma una capa protectora sobre la superficie de la partícula. Al ajustar el solvente que rodea a estas moléculas, los investigadores de Johns Hopkins y Northwestern pudieron controlar la forma de las nanopartículas. Las pruebas en animales del equipo demostraron que la forma de una nanopartícula podría afectar drásticamente la eficacia con la que administra la terapia génica a las células. Las imágenes de dibujos animados en primer plano, obtenido mediante modelado computacional, emparejado estrechamente con las imágenes de fondo gris, que se recogieron mediante microscopía electrónica de transmisión. Crédito:Wei Qu, Northwestern University, dibujos animados de simulación; Xuan Jiang, Universidad Johns Hopkins, imágenes microscópicas
Investigadores de las universidades Johns Hopkins y Northwestern han descubierto cómo controlar la forma de las nanopartículas que mueven el ADN a través del cuerpo y han demostrado que las formas de estos portadores pueden marcar una gran diferencia en lo bien que funcionan en el tratamiento del cáncer y otras enfermedades.
Este estudio, que se publicará en la edición en línea del 12 de octubre de la revista Materiales avanzados , También es digno de mención porque esta técnica de terapia génica no utiliza un virus para transportar ADN a las células. Algunos esfuerzos de terapia génica que se basan en virus han planteado riesgos para la salud.
"Estas nanopartículas podrían convertirse en un vehículo de administración más seguro y eficaz para la terapia génica, dirigidas a enfermedades genéticas, cáncer y otras enfermedades que pueden tratarse con medicina genética, "dijo Hai-Quan Mao, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales en la Escuela de Ingeniería Whiting de Johns Hopkins.
Mao coautor correspondiente de la Materiales avanzados artículo, ha estado desarrollando nanopartículas no virales para terapia génica durante una década. Su enfoque implica comprimir fragmentos saludables de ADN dentro de recubrimientos protectores de polímero. Las partículas están diseñadas para entregar su carga útil genética solo después de que se hayan movido a través del torrente sanguíneo y hayan entrado en las células objetivo. Dentro de las celdas el polímero se degrada y libera ADN. Usando este ADN como plantilla, las células pueden producir proteínas funcionales que combaten enfermedades.
Un avance importante en este trabajo es que Mao y sus colegas informaron que pudieron "sintonizar" estas partículas en tres formas, parecidas a varillas, gusanos y esferas, que imitan las formas y tamaños de las partículas virales. "Podríamos observar estas formas en el laboratorio, pero no entendimos completamente por qué asumieron estas formas y cómo controlar bien el proceso, ", Dijo Mao. Estas preguntas eran importantes porque el sistema de administración de ADN que él prevé puede requerir formas uniformes.
Para resolver este problema, Mao buscó la ayuda de colegas de Northwestern hace unos tres años. Mientras Mao trabaja en un laboratorio húmedo tradicional, los investigadores de Northwestern son expertos en la realización de experimentos similares con potentes modelos informáticos.
Erik Luijten, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales y de matemáticas aplicadas en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas McCormick de Northwestern y coautor correspondiente del artículo, dirigió el análisis computacional de los hallazgos para determinar por qué las nanopartículas se formaron en diferentes formas.
"Nuestras simulaciones por computadora y nuestro modelo teórico han proporcionado una comprensión mecanicista, identificar qué es responsable de este cambio de forma, ", Dijo Luijten." Ahora podemos predecir con precisión cómo elegir los componentes de las nanopartículas si uno quiere obtener una determinada forma ".
El uso de modelos informáticos permitió al equipo de Luijten imitar los experimentos de laboratorio tradicionales a un ritmo mucho más rápido. Estas simulaciones de dinámica molecular se realizaron en Quest, El sistema informático de alto rendimiento de Northwestern. Los cálculos eran tan complejos que algunos de ellos requirieron 96 procesadores de computadora trabajando simultáneamente durante un mes.
En su papel los investigadores también querían mostrar la importancia de las formas de las partículas en la administración de la terapia génica. Los miembros del equipo realizaron pruebas con animales, todos usando los mismos materiales de partículas y el mismo ADN. La única diferencia estaba en la forma de las partículas:varillas, gusanos y esferas.
"Las partículas en forma de gusano dieron como resultado 1, 600 veces más expresión génica en las células del hígado que las otras formas, "Esto significa que producir nanopartículas en esta forma particular podría ser la forma más eficiente de administrar terapia génica a estas células", dijo Mao.
Las formas de partículas utilizadas en esta investigación se forman empaquetando el ADN con polímeros y exponiéndolos a varias diluciones de un disolvente orgánico. La aversión del ADN al solvente, con la ayuda del polímero diseñado por el equipo, hace que las nanopartículas se contraigan en una forma determinada con un "escudo" alrededor del material genético para evitar que las células inmunitarias lo eliminen.
