Células, teñido de verde con núcleos azules, son el objetivo de nanopartículas que llevan códigos de barras de ADN (blanco). Las nanopartículas envían de manera eficiente su carga útil de ADN a las células. Crédito:Daryll A. Vanover, Kalina Paunovska, y Cory Sago en Georgia Tech
La primera comparación directa de técnicas de detección in vitro e in vivo para identificar nanopartículas que pueden usarse para transportar moléculas terapéuticas al interior de las células muestra que las pruebas en placas de laboratorio no ayudan mucho a predecir qué nanopartículas entrarán con éxito en las células de animales vivos.
El nuevo estudio demostró las ventajas de una técnica de códigos de barras de ADN in vivo, que une pequeños fragmentos de ADN a diferentes nanopartículas a base de lípidos que luego se inyectan en animales vivos; se pueden probar más de cien nanopartículas en un solo animal. Luego, se utilizan técnicas de secuenciación de ADN para identificar qué nanopartículas ingresan a las células de órganos específicos, hacer que las partículas sean candidatas para el transporte de terapias génicas para tratar asesinos como enfermedades cardíacas, cáncer y enfermedad de Parkinson.
La técnica tradicional para identificar nanopartículas prometedoras examina cómo las partículas ingresan a las células vivas almacenadas en placas de laboratorio. Para comparar las técnicas de detección nuevas y antiguas, los investigadores agregaron nanopartículas con códigos de barras a células vivas en placas de laboratorio, e inyectó nanopartículas idénticas con códigos de barras en modelos animales vivos. No encontraron casi ninguna correlación entre las nanopartículas identificadas como prometedoras en las pruebas de placa de laboratorio y las que realmente funcionaron bien en los ratones.
"Los códigos de barras de ADN tienen el potencial de hacer avanzar la ciencia de la selección de nanopartículas para administrar terapias génicas, "dijo James Dahlman, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Biomédica Wallace H. Coulter en Georgia Tech y Emory University e investigador principal del estudio. "Con esta técnica, las empresas y los laboratorios académicos podrían seleccionar nanopartículas prometedoras de manera mucho más eficiente. Eso podría acelerar la velocidad a la que las terapias basadas en nanopartículas se trasladan a la clínica, reduciendo al mismo tiempo la cantidad de pruebas en animales necesarias ".
La investigación, que cuenta con el apoyo de los Institutos Nacionales de Salud, el Instituto de Investigación del Cáncer, Fundación de Fibrosis Quística y Fundación de la Enfermedad de Parkinson, fue reportado el 28 de febrero en la revista Nano letras . La investigación fue realizada por científicos del Instituto de Tecnología de Georgia y la Universidad de Emory.
Esta imagen de primer plano muestra un chip de microfluidos que se usa para fabricar nanopartículas que podrían usarse para administrar genes terapéuticos a órganos específicos del cuerpo. Se han agregado líquidos de colores para resaltar los canales. Crédito:Rob Felt, Georgia Tech
Terapias genéticas, como los hechos de ADN o ARN, enfrentan desafíos debido a la dificultad para administrar el ácido nucleico a las células correctas. Durante las últimas dos décadas, Los científicos han estado desarrollando nanopartículas hechas de una amplia gama de materiales y agregando compuestos como el colesterol para ayudar a llevar estos agentes terapéuticos al interior de las células. Pero el desarrollo de portadores de nanopartículas se ha visto frenado por los desafíos de probarlos, primero en cultivo celular para identificar nanopartículas prometedoras, y luego en animales. Con millones de combinaciones posibles, identificar las nanopartículas óptimas para apuntar a cada órgano ha sido abrumador.
El uso de cadenas de ADN de solo 58 nucleótidos de longitud para identificar de forma única cada partícula permite a los investigadores omitir por completo la selección del cultivo celular y probar cien o más tipos diferentes de nanopartículas simultáneamente en solo un puñado de animales.
"Si quisiera probar 200 nanopartículas de la forma tradicional, necesitaría 600 ratones, tres para cada tipo de nanopartícula, ", dijo Dahlman." Usando la técnica de códigos de barras de ADN, que llamamos Análisis Conjunto Rápido de ADN de Nanopartículas (JORDANIA), podemos hacer las pruebas en solo tres animales ".
El estudio examinó la entrada de nanopartículas en células endoteliales y macrófagos para el estudio in vitro. y el mismo tipo de células del pulmón, corazón y médula ósea para el componente in vivo. Los dos tipos de células son importantes para una amplia gama de sistemas de órganos del cuerpo y desempeñan funciones activas en enfermedades que podrían ser el objetivo de las terapias con ácidos nucleicos. El estudio comparó cómo las mismas 281 nanopartículas de lípidos entregaron los códigos de barras en platos de laboratorio y animales vivos.
"No hubo capacidad de predicción entre las pruebas de plato de laboratorio y las pruebas con animales, "Dijo Dahlman." Si las pruebas in vitro hubieran sido buenos predictores, entonces las partículas que funcionaron bien en el plato también lo habrían hecho en los animales, y las partículas que funcionaron mal en el plato también lo habrían hecho mal en los animales. No vimos eso en absoluto ".
James Dahlman, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Biomédica Wallace H. Coulter en Georgia Tech y Emory University, contiene un chip de microfluidos que se usa para fabricar nanopartículas que podrían usarse para administrar genes terapéuticos. Crédito:Rob Felt, Georgia Tech
El equipo de investigación dirigido por los co-primeros autores Kalina Paunovska y Cory D. Sago, también estudió cómo cambia la entrega de nanopartículas con el microambiente de tipos de tejidos específicos. Para eso, cuantificaron cómo 85 nanopartículas entregaron códigos de barras de ADN a ocho poblaciones de células en el bazo, y descubrió que los tipos de células derivados de progenitores mieloides tendían a ser el objetivo de nanopartículas similares.
Los investigadores están interesados no solo en qué nanopartículas administran la terapéutica con mayor eficacia, pero también que puede entregarlos selectivamente a órganos específicos. Terapias dirigidas a tumores, por ejemplo, debe administrarse solo al tumor y no a los tejidos circundantes. Asimismo, las terapias para las enfermedades cardíacas deben acumularse selectivamente en el corazón.
Las secuencias de códigos de barras de ADN monocatenario que se utilizan en la técnica son aproximadamente del mismo tamaño que los oligonucleótidos antisentido, Se están desarrollando microARN y ARNip para posibles usos terapéuticos. Otras terapias basadas en genes son más grandes, y se necesitaría investigación adicional para determinar si la técnica podría usarse con ellos.
Una vez que las nanopartículas prometedoras se identifican con el cribado, serían sometidos a pruebas adicionales para verificar su capacidad para administrar terapias. Para evitar la posibilidad de fusión de nanopartículas, solo las estructuras que son estables en ambientes acuosos pueden probarse con esta técnica. Solo se pueden cribar nanopartículas no tóxicas, y los investigadores deben controlar la posible inflamación generada por el ADN insertado.
"Las terapias con ácidos nucleicos son muy prometedoras para el tratamiento de una variedad de enfermedades graves, ", dijo Dahlman." Esperamos que esta técnica se utilice ampliamente en el campo, y que, en última instancia, traerá más claridad sobre cómo estos medicamentos afectan a las células y cómo podemos llevarlos a los lugares correctos del cuerpo ".
