Una nueva técnica podría ofrecer un enfoque específico para combatir el cáncer:se ha demostrado que los pulsos de ultrasonido de baja intensidad matan selectivamente las células cancerosas sin dañar las células normales.

Las ondas de ultrasonido (ondas sonoras con frecuencias más altas de las que los humanos pueden oír) se han utilizado antes como tratamiento contra el cáncer. aunque en un enfoque de pincel amplio:ráfagas de ultrasonido de alta intensidad pueden calentar el tejido, matando el cáncer y las células normales en un área objetivo. Ahora, Los científicos e ingenieros están explorando el uso de ultrasonido pulsado de baja intensidad (LIPUS) en un esfuerzo por crear un tratamiento más selectivo.

Un estudio que describe la efectividad del nuevo enfoque en modelos celulares se publicó en Letras de física aplicada el 7 de enero. Los investigadores detrás del trabajo advierten que aún es preliminar:todavía no se ha probado en un animal vivo y mucho menos en un humano. y quedan varios desafíos clave por abordar, pero los resultados hasta ahora son prometedores.

La investigación comenzó hace cinco años cuando Michael Ortiz de Caltech, Frank y Ora Lee Marble Profesor de Aeronáutica e Ingeniería Mecánica, se preguntó si las diferencias físicas entre las células cancerosas y las células sanas, como el tamaño, espesor de la pared celular, y el tamaño de los orgánulos dentro de ellos, podría afectar la forma en que vibran cuando son bombardeados con ondas sonoras y cómo las vibraciones pueden desencadenar la muerte de las células cancerosas. "Tengo mis momentos de inspiración, Ortiz dice con ironía.

Y entonces Ortiz construyó un modelo matemático para ver cómo reaccionarían las células a diferentes frecuencias y pulsos de ondas sonoras. Junto con la entonces estudiante graduada Stefanie Heyden (Ph.D. '14), que está ahora en ETH Zurich, Ortiz publicó un artículo en 2016 en el Journal of the Mechanics and Physics of Solids que muestra que había una brecha en las llamadas tasas de crecimiento resonante de células cancerosas y sanas. Esa brecha significaba que una onda de sonido cuidadosamente ajustada podría, En teoria, hacen que las membranas celulares de las células cancerosas vibren hasta el punto de romperse dejando ilesas a las células sanas. Ortiz llamó al proceso "oncotripsy" del griego oncos (para tumor) y tripsy (para romper).

Emocionado por los resultados, Ortiz solicitó y recibió fondos para continuar la investigación a través de la Iniciativa de Innovación Rothenberg de Caltech (RI2), un programa dotado lanzado con fondos del fideicomisario de Caltech Jim Rothenberg y su esposa, Anne Rothenberg, para apoyar proyectos de investigación con alto potencial comercial. Ortiz también reclutó a la estudiante de doctorado Erika F.Schibber (MS '16, Doctor. '19), cuya investigación implicó el estudio de las vibraciones en satélites, para trabajar en el proyecto.

Ortiz luego invitó a Mory Gharib (Ph.D. '83), Hans W. Liepmann Profesor de Aeronáutica e Ingeniería Bioinspirada, para asistir a una reunión de su grupo de investigación. Gharib, un inventor prolífico, ha guiado numerosos desarrollos de investigación desde el laboratorio hasta el mercado. Por ejemplo, una prótesis de válvula cardíaca de polímero que diseñó se implantó en un ser humano por primera vez en julio, y también creó una aplicación para teléfonos inteligentes para monitorear la salud del corazón; un implante ocular que diseñó para prevenir la ceguera relacionada con el glaucoma se ha implantado en más de 500, 000 pacientes desde 2012.

Intrigado por el proyecto, Gharib le propuso la idea a uno de sus asesores, David Mittelstein. Como estudiante de posgrado en el MD-Ph.D. Programa dirigido por Caltech y la Escuela de Medicina Keck de la USC, Mittelstein ya estaba trabajando en la válvula de polímero protésica antes mencionada con Gharib. Pero, en el proyecto oncotripsy, vio la oportunidad de participar en la investigación desde su concepción teórica hasta su prueba de concepto.

"Mory y Michael realmente me empoderaron para tomar la iniciativa en este proyecto, diseñar y construir formas de probar la teoría de Michael en el mundo real, "dice Mittelstein, quien defenderá su disertación en Caltech a mediados de febrero antes de regresar a la USC para completar su título de médico.

Mittelstein reunió un equipo para abordar el proyecto, reclutar al experto en ultrasonido Mikhail Shapiro, profesor de ingeniería química en Caltech. Shapiro ideó recientemente un sistema que permite que el ultrasonido revele la expresión genética en el cuerpo y ha diseñado bacterias que reflejan las ondas sonoras para que se puedan rastrear a través del cuerpo a través del ultrasonido.

En el laboratorio de Shapiro, Mittelstein comenzó a someter carcinoma hepatocelular, un cáncer de hígado común, a varias frecuencias y pulsos de ultrasonido, y medir los resultados.

Mientras tanto, El fideicomisario de Caltech Eduardo A. Repetto (Ph.D. '98) presentó a Ortiz a Peter P. Lee, presidente del Departamento de Inmuno-Oncología de City of Hope, un centro de investigación y cáncer en Duarte. Como médico-científico, A Lee le apasiona ofrecer nuevos tratamientos a los pacientes. "Cuando me enteré, Pensé que era intrigante y eso, si funcionó, podría ser una forma revolucionaria de tratar el cáncer, "Dice Lee. Otros investigadores de City of Hope, incluido el postdoctorado Jian Ye y el oncólogo M. Houman Fekrazad, también se unió al proyecto.

Con fondos adicionales de Amgen y la Iniciativa de Investigación Biomédica de Caltech – City of Hope, Mittelstein construyó un instrumento piloto en City of Hope para reflejar el de Caltech, permitiendo a sus colegas probar muestras sin tener que transportarlas entre Duarte y Pasadena. Tiempo extraordinario, Lee y su equipo en City of Hope expandieron el repertorio de líneas de células cancerosas que se están probando, extraer muestras de humanos y ratones para incluir el cáncer de colon y de mama. También probaron una variedad de células humanas sanas, incluidas las células inmunitarias, para comprobar cómo afecta el tratamiento a estas células.

La esperanza, Lee dice, es que el ultrasonido matará las células cancerosas de una manera específica que también involucrará al sistema inmunológico y lo despertará para atacar cualquier célula cancerosa que quede después del tratamiento.

"Las células cancerosas son bastante heterogéneas, incluso dentro de un solo tumor, "Lee explica, "por lo que sería casi imposible encontrar un rango de configuraciones para el ultrasonido que pudiera matar cada una de las células cancerosas. Esto dejaría células supervivientes que podrían hacer que un tumor vuelva a crecer".

Más de 50 millones de células mueren en su cuerpo todos los días. La mayoría de esas muertes ocurren cuando las células simplemente envejecen y mueren naturalmente a través de un proceso llamado apoptosis. Algunas veces, sin embargo, las células mueren como resultado de una infección o lesión. Un sistema inmunológico sano puede diferenciar entre apoptosis y lesión, ignorando el primero mientras se apresura al sitio del segundo para atacar cualquier patógeno invasor.

Si el ultrasonido se puede usar para causar la muerte celular de una manera que el sistema inmunológico del cuerpo reconoce como una lesión, en lugar de apoptosis, esto podría llevar a que el sitio del tumor se inunde con glóbulos blancos que podrían atacar las células cancerosas restantes.

Hasta aquí, todas las pruebas se han realizado en cultivos celulares en placas de Petri, pero el equipo de Caltech – City of Hope planea expandir las pruebas a tumores sólidos y, finalmente, animales vivos. De vuelta en el laboratorio de Ortiz, Schibber utilizó los resultados de las pruebas de laboratorio para refinar los modelos matemáticos, profundizando para asegurarse de que los investigadores comprendan exactamente cómo las ondas sonoras están matando las células cancerosas.

"Estamos aprendiendo más sobre cómo las diferentes células cancerosas vibran y sufren daños durante muchos ciclos de insonación, un proceso que llamamos 'fatiga celular, '"dice Schibber, quien defendió su tesis sobre el tema en 2019 y ahora es investigadora postdoctoral en aeroespacial en Caltech. En el laboratorio de Shapiro, Mittelstein descubrió que la formación de pequeñas burbujas (un proceso llamado cavitación) que también podría causar algunos de los daños. Juntos, estos desarrollos están proporcionando una base conceptual para comprender las tendencias observadas en los experimentos.

Mittelstein espera seguir involucrado en el proyecto después de la defensa de su tesis, pero, sobre todo, está ansioso por ver que la investigación continúe y que algún día conduzca a un tratamiento eficaz contra el cáncer.

"Esta es una prueba de concepto emocionante para un nuevo tipo de terapia contra el cáncer que no requiere que el cáncer tenga marcadores moleculares únicos o que se ubique por separado de las células sanas a las que se dirija. En su lugar, es posible que podamos apuntar a las células cancerosas basado en sus propiedades físicas únicas, " él dice.

los Letras de física aplicada El artículo se titula "Ablación selectiva de células cancerosas con ultrasonido pulsado de baja intensidad". Los coautores incluyen a la estudiante de pregrado de Caltech Ankita Roychoudhury y Leyre Troyas Martinez, un estudiante de pregrado que trabaja en una beca de investigación de pregrado de verano de Caltech (SURF).