Un campo en crecimiento llamado nanotecnología está permitiendo a los investigadores manipular moléculas y estructuras mucho más pequeñas que una sola célula para mejorar nuestra capacidad de ver. monitorear y destruir las células cancerosas en el cuerpo.

La tripulación del Proteus tiene una oportunidad desesperada de salvar la vida de un hombre. Reducido al tamaño de una bacteria grande, el submarino contiene un equipo de científicos y médicos que se apresuran a destruir un coágulo de sangre en el cerebro de un desertor soviético. El grupo viaja por el cuerpo, evadir glóbulos blancos gigantes y pequeños anticuerpos mientras viaja a través del corazón, el oído interno y el cerebro para alcanzar y destruir el bloqueo.

Aunque los acontecimientos de la película Viaje fantástico eran inverosímiles cuando se lanzó en 1966, ahora se están realizando todos los días en laboratorios de todo el mundo, particularmente en el tratamiento del cáncer. Un campo en crecimiento llamado nanotecnología está permitiendo a los investigadores manipular moléculas y estructuras mucho más pequeñas que una sola célula para mejorar nuestra capacidad de ver. monitorear y destruir las células cancerosas en el cuerpo.

Decenas de miles de pacientes ya han recibido medicamentos de quimioterapia administrados por nanopartículas llamadas liposomas, y decenas de otros enfoques se encuentran actualmente en ensayos clínicos. Dentro de los próximos cinco a 10 años, Los mayores defensores de nuestro cuerpo pueden ser más pequeños de lo que jamás hubiéramos imaginado.

'Exquisita sensibilidad y precisión'

"La nanotecnología ofrece una exquisita sensibilidad y precisión que es difícil de igualar con cualquier otra tecnología, "dijo Sam Gambhir, MARYLAND, Doctor, profesor y catedrático de radiología de la Facultad de Medicina. "En la próxima década, la nanomedicina cambiará el camino del diagnóstico y tratamiento del cáncer en este país ".

El campo tiene algunos grandes patrocinadores:el Instituto Nacional del Cáncer ahora gasta alrededor de $ 150 millones cada año en investigación y capacitación en nanotecnología para combatir la enfermedad; otros institutos y centros de los Institutos Nacionales de Salud gastan $ 300 millones adicionales en investigación en nanotecnología para el cáncer y otros trastornos. Y una alianza nacional creada por el NCI en 2004 para reunir a investigadores de la biología a la informática y la química a la ingeniería está dando sus frutos, en forma de docenas de ensayos clínicos, en campus y empresas de todo el país. incluido Stanford.

"Ahora podemos detectar solo unas pocas moléculas asociadas al cáncer o células tumorales circulantes en el cuerpo en solo unos pocos mililitros de sangre o saliva, o mapear los límites de un tumor cerebral en milímetros para evaluar su respuesta a la terapia o para planificar una cirugía, ", Dijo Gambhir." Hemos diseñado especialmente nanopartículas que pueden enviar de vuelta una amplificación masiva, enorme señal cuando se unen a las células cancerosas en el colon, y estamos trabajando en formas de desencadenar el autoensamblaje de nanopartículas cuando ingresan a una célula cancerosa. El campo ha avanzado enormemente en los últimos 10 a 15 años ".

Gambhir, Virginia y D.K. Profesor Ludwig de Investigación Clínica en Investigación del Cáncer, codirige el Centro Stanford de Nanotecnología del Cáncer y Excelencia para el Diagnóstico Traslacional, financiado por el NCI, con Shan Wang, Doctor, profesor de ciencia e ingeniería de materiales y de ingeniería eléctrica.

La capacidad de diagnosticar los primeros signos de problemas es crucial para los esfuerzos por detener la enfermedad antes de que surjan síntomas o complicaciones, que es un componente clave de lo que se conoce como salud de precisión.

"El diagnóstico temprano es absolutamente crítico, y requiere un tipo de enfoque y tecnología completamente diferente al que usamos en el pasado, "Dijo Gambhir." Sin nanomedicina, no tendríamos la oportunidad de lograr nuestro objetivo principal:mantener nuestros hospitales vacíos ".

Una cuestión de escala

Entonces, ¿qué tiene de especial la nanotecnología? Como puedes adivinar, es una cuestión de escala. Un nanómetro es una mil millonésima parte de un metro. Un cabello humano tiene alrededor de 100, 000 nanómetros de diámetro. Una celda promedio, como 10, 000. El Proteo, en El viaje fantástico, era aproximadamente 1, 000 nanómetros de largo, y los anticuerpos que atacaron a sus pasajeros tenían un tamaño de unos 10 nanómetros.

Las nanopartículas para uso médico se definen como moléculas o estructuras que no superan los 100 nanómetros, comparables en tamaño a las decenas de miles de moléculas del cuerpo que entran y salen de las células intactas y se mueven inofensivamente a través de las paredes de los vasos sanguíneos y entran en los tejidos. Como el Proteo y su tripulación, pueden buscar e interactuar con células individuales y sus contenidos. Pero las reglas de enfrentamiento han cambiado como tiene la posible magnitud del efecto de los visitantes.

Las moléculas a escala nanométrica operan en un inframundo oscuro donde las leyes de la física se tambalean en el borde de una galaxia cuántica. Los electrones se comportan de manera extraña en un escenario tan pequeño. Como resultado, las propiedades esenciales de las nanopartículas, incluyendo su color, puntos de fusión, fluorescencia, conductividad y reactividad química, puede variar según su tamaño.

Las partículas a nanoescala también tienen enormes cantidades de superficie en comparación con las partículas más grandes. Un cubo de oro con lados de 1 centímetro de largo tiene una superficie total de 6 centímetros cuadrados. Pero el mismo volumen lleno de nanoesferas de oro con diámetros de 1 nanómetro tiene una superficie superior a la mitad de un campo de fútbol.

Nanopartículas 'tuning'

Investigadores como Gambhir y sus colegas han aprendido cómo capitalizar muchas de estas propiedades en sus búsquedas para buscar y destruir células cancerosas en el cuerpo. o para recolectarlos de una muestra de sangre para su estudio adicional. Al cambiar el tamaño de las partículas, los científicos pueden "sintonizar" las nanopartículas para que se comporten de maneras específicas:fluorescencia de colores variables para fines de obtención de imágenes, por ejemplo, o agarrar y luego liberar células cancerosas para su estudio. Algunos pueden diseñarse para absorber energía lumínica para generar pequeñas vibraciones acústicas que señalan la presencia de un tumor o para liberar calor para matar las células desde el interior.

Los investigadores también aprovechan la vasta superficie de las partículas, recubriéndolos con anticuerpos o proteínas que albergan células cancerosas, o con moléculas de señalización que son liberadas por decenas de miles cuando se localiza una célula cancerosa.

Gambhir cree que la nanotecnología será particularmente útil en el diagnóstico y el tratamiento tempranos. "No es que nuestras terapias sean malas, es que las aplicamos demasiado tarde, ", dijo." La nanotecnología tiene el potencial de detectar e incluso matar las células cancerosas tempranas presentes en los cientos o miles frente a los miles de millones que ya están presentes en los tumores actualmente diagnosticables ".

Él y sus colegas imaginan un día en un futuro no muy lejano cuando nanosensores implantados en nuestros cuerpos, o incluso en electrodomésticos como el inodoro, puede alertarnos sobre los primeros signos de problemas, a menudo sin nuestra participación consciente. Compara el enfoque con el de pilotar un avión a reacción.

"El motor de un avión se supervisa constantemente, y la información se envía a un portal global para diagnosticar problemas en tiempo real, ", dijo." Hoy nos estamos perdiendo eso en el cuidado de la salud ".

Pero quizás no por mucho tiempo.

'Tragando al doctor'

El concepto de minions médicos en miniatura no es nuevo. En 1959, el célebre físico Richard Feynman, Doctor, discutió la posibilidad de "tragarse al médico" en una charla en el Instituto de Tecnología de California, e investigadores británicos se dieron cuenta por primera vez del potencial de los liposomas para la administración de fármacos en 1961. Estas esferas pueden diseñarse para contener fármacos solubles en agua en su interior, mientras que también elimina los hidrofóbicos, o insoluble, drogas en su membrana grasa. Una ingeniería cuidadosa puede dar como resultado estructuras basadas en liposomas que administran múltiples medicamentos en proporciones precisas y en niveles altos sin las toxicidades que pueden ocurrir cuando se administran los medicamentos sin estas estructuras. Se acumulan de forma natural en el tejido tumoral, o puede dirigirse a tipos de células específicos mediante la adición de anticuerpos u otras moléculas a su superficie.

La técnica fue aprobada por primera vez por la Administración de Drogas y Alimentos de EE. UU. En 1995 para administrar el fármaco de quimioterapia doxorrubicina a pacientes con sarcoma de Kaposi relacionado con el SIDA. En la actualidad hay más de una docena de medicamentos empaquetados en liposomas en el mercado, and researchers have begun to explore ways to use other types of nanoparticles to deliver not just drugs, but also small RNA molecules to block the expression of specific genes, or a payload of radioactivity to kill the cell.

"From a practical perspective, nano-based techniques aren't the wave of the future. This is the now, " said Heather Wakelee, MARYLAND, an associate professor of medicine at Stanford who focuses on the treatment of lung cancer patients. "And it's changing how we treat patients in the clinic."

Nanosensing technology

Researchers are working on technology for use outside the bodyto identify and characterize tumor cells present at minuscule levels in all manner of bodily fluids—tracking the course of a known disease or even pinpointing its inception long before symptoms arise.

Wakelee has worked with center co-director Wang to design a kind of "magnetic sifter" that quickly sorts cancer cells from normal blood, based on magnetic nanotags engineered to coat the cancer cells' surface. A key component of the technique is the ability to swiftly release the bound, living cells for further study. Another approach, also launched in Wang's lab, involves a magneto-nanosensor—a silicon-based chip smaller than a dime that can detect and quantify magnetic nanotags on cancer cells or cancer-associated DNA or protein molecules based on changes in the chip's external magnetic field.

This approach is being tested in clinical trials by MagArray, a company based in Milpitas, California, for its ability to detect multiple lung and prostate cancer biomarkers in patients' blood. Like other nanotechnology, it is exquisitely sensitive.

'Toward a simple blood draw'

These techniques may allow researchers to not just count the circulating tumor cells in a patient, but also to sequence cells' genomes or assess the levels of expression of cancer-associated proteins on their surfaces. Wakelee is also working with colleagues to develop ways to capture and sequence tumor DNA that circulates freely in the blood of cancer patients.

"We're looking for specific gene mutations that could change therapy, " she said. "In this way, we're moving away from invasive biopsies for our patients and toward a simple blood draw to learn more about an individual's specific cancer."

Gambhir is working to design gold and silica nanoparticles for use inside the body to detect colon cancer. Las partículas, which would be swallowed as pills, coat pockets of tumor cells that would normally be invisible during a colonoscopy, and can be visualized with a special endoscope designed by the team. The technique is under review by the FDA.

"Cancer is a very difficult disease to treat, and it's also difficult to diagnose early, " said Piotr Grodzinski, Doctor, who directs the NCI's nanotechnology for cancer programs. "The alliance was created to bring together engineers and materials scientists, por ejemplo, with biologists and oncologists to understand, primero, how nanoparticles interact with biological systems and, segundo, how they interact with cancer cells and what they can do to the tumor."

"Stanford, in the heart of Silicon Valley, is a unique place for this kind of technology to develop, " said Gambhir. "The collaborative atmosphere brings together people to solve specific problems in cancer diagnosis and detection."

The crew on the Proteus managed to band together to save the defector—in the nick of time, of course—escaping through a tear duct after destroying the blood clot in his brain just before ballooning back to normal size. Nanomedicine for future patients will likely be less fraught with urgency, but the outcome will be more important. Después de todo, the patient could be you.