Nanomaterial supersensible. Crédito:Vladimir Cherkasov et al./ACS Nano
En 1900, Al médico alemán Paul Ehrlich se le ocurrió la noción de una "bala mágica". La idea básica es inyectar a un paciente partículas inteligentes capaces de encontrar, reconociendo, y el tratamiento de una enfermedad. La medicina ha perseguido la bala mágica desde entonces.
Investigadores rusos del Instituto de Física y Tecnología de Moscú y del Instituto de Física General Prokhorov, RAS, han avanzado hacia ese objetivo. Dirigido por Maxim Nikitin de MIPT, el equipo publicó un artículo en ACS Nano , presentando un material inteligente con propiedades únicas, que es prometedor para el análisis de ADN exprés y los medicamentos de próxima generación contra el cáncer y otras enfermedades graves.
La administración de medicamentos a las células afectadas por una enfermedad es un cuello de botella importante en el diagnóstico y la terapia. Lo ideal es que los medicamentos lleguen solo a las células patógenas, sin hacer daño a los sanos. Existe una variedad de compuestos marcadores que regalan células cancerosas. Entre estas moléculas reveladoras, que se encuentran en la superficie de las células afectadas o en su microambiente, son productos de desecho y los enviados a otras células como señales.
Los medicamentos modernos se basan en uno de esos marcadores para identificar las células enfermas. Sin embargo, Suele darse el caso de que las células sanas porten los mismos marcadores, aunque en cantidades más pequeñas. Esto significa que los sistemas de administración de fármacos dirigidos existentes no son perfectos. Para que la administración de fármacos sea más específica, Se requieren materiales inteligentes que sean capaces de analizar múltiples parámetros ambientales a la vez, buscando el objetivo con mayor precisión.
"Los métodos utilizados convencionalmente para la administración de medicamentos son como enviar una carta con la ciudad y la calle escritas en el sobre, pero sin los números de casa y apartamento, Maxim Nikitin, investigador principal y jefe del Laboratorio de Nanobiotecnología de MIPT, comentó:"Necesitamos poder analizar más parámetros para garantizar una entrega eficaz".
Previamente, Nikitin y sus coautores desarrollaron nanopartículas y micropartículas capaces de realizar cálculos lógicos complejos a través de reacciones bioquímicas. En su artículo de 2014 en Nanotecnología de la naturaleza , los investigadores informaron que sus nanocomputadoras autónomas podían analizar muchos parámetros de un objetivo y, por lo tanto, eran mucho mejores en su identificación.
La adición de una hebra de ADN complementaria activa los receptores en la superficie de la nanopartícula. Crédito:Vladimir Cherkasov et al.
En los últimos años se han producido muchos avances en los materiales de biocomputación. Para 2018, se han publicado cientos y cientos de artículos sobre el tema. Reseñas de productos químicos , la revista de mayor reputación en el campo, publicó una revisión de nanorobótica y biocomputación contemporáneas. El papel, con el subtítulo "Dawn of Theranostic Nanorobots, "fue escrito por investigadores del Laboratorio de Nanobiotecnología de MIPT y el Laboratorio de Biofotónica del Instituto de Física General Prokhorov de la Academia de Ciencias de Rusia (RAS).
A pesar de los esfuerzos de numerosos equipos de investigación de todo el mundo que intentan ampliar la funcionalidad de los materiales de biocomputación, todavía no son lo suficientemente sensibles a los marcadores de enfermedades, haciendo imposibles las aplicaciones prácticas.
El reciente artículo del equipo en ACS Nano marca un gran avance en este campo. Han desarrollado un material inteligente único que se caracteriza por la supersensibilidad a las señales de ADN. Es varios órdenes de magnitud más sensible que el competidor más cercano. Es más, el nuevo material exhibe una sensibilidad más alta que la de la gran mayoría de los ensayos de ADN expreso actualmente disponibles.
Los investigadores lograron ese notable resultado después de descubrir que las moléculas de ADN exhiben un comportamiento inusual en la superficie de las nanopartículas.
En el estudio, un extremo de una molécula de ADN monocatenario estaba fijado a una nanopartícula. En tono rimbombante, la molécula no tenía horquillas, es decir, segmentos de doble hebra donde parte de la cadena se adhiere a sí misma. El equipo equipó el otro extremo de la cadena de ADN con un pequeño receptor molecular. Contrario a las expectativas, el receptor no se unió a su objetivo. Después de descartar un error, los científicos plantearon la hipótesis de que el ADN monocatenario podría adherirse a la nanopartícula y enrollarse, escondiendo el receptor debajo de él, en la superficie de la partícula.
La hipótesis resultó acertada cuando el equipo añadió hebras simples complementarias de ADN a su partícula. El receptor se activó instantáneamente, vinculando su objetivo. Esto sucedió porque los enlaces entre los nucleótidos complementarios hicieron que las dos cadenas de ADN formaran una doble hélice rígida, o duplex. Como la lengua de un camaleón, la hebra desenrollada, exponer el receptor para la unión a la diana.
Una comparación entre balizas moleculares y el material inteligente desarrollado por los autores del estudio. Crédito:Vladimir Cherkasov et al.
Tal desenrollamiento de la cadena de ADN se asemeja al de una baliza molecular. Esto se refiere a un ADN monocatenario cuyo extremo forma un dúplex con el extremo opuesto, plegando la estructura. Una hebra complementaria de ADN puede desplegar la baliza. Sin embargo, hay una distinción importante y útil. "A diferencia de las balizas moleculares, El fenómeno descubierto permite ajustar la fuerza del ADN que se enrosca en la nanopartícula por separado de la fuerza de enderezamiento del ADN de entrada. Esto conduce a una sensibilidad dramáticamente mejor a la entrada, "señaló el primer autor del estudio, Vladimir Cherkasov, un investigador líder en el Laboratorio de Nanobiotecnología, MIPT.
En su papel los investigadores demuestran agentes capaces de detectar concentraciones de ADN tan bajas como 30 femtomoles (30 mil millonésimas de millonésima de mol) por litro, sin ADN y / o amplificación de señal. La coautora del estudio, Elizaveta Mochalova, estudiante de doctorado en el Laboratorio de Nanobiotecnología del MIPT, agregó:"Demostramos que la sensibilidad era tan alta con un ensayo de flujo lateral bastante simple, que se usa ampliamente en las pruebas de embarazo. A diferencia de los ensayos de ADN existentes, tales pruebas se pueden realizar fuera de un entorno de laboratorio limpio y no requieren equipo avanzado. Esto hace que la tecnología sea adecuada para la detección rápida de enfermedades infecciosas, kits de análisis de alimentos para uso doméstico, y cosas similares ".
Los autores del artículo también han demostrado que la tecnología es aplicable al diseño de nanoagentes inteligentes que reconocerían las células cancerosas en función de la concentración de ADN pequeño en su microambiente. No hace mucho Se pensaba que los ácidos nucleicos pequeños eran simplemente desechos sin sentido resultantes del reciclaje de moléculas funcionales más grandes. Sin embargo, los ARN pequeños resultaron ser reguladores clave de muchos procesos en las células vivas. Actualmente, los biólogos están identificando marcadores de enfermedades entre estos ARN.
"Curiosamente, cuanto menor sea la longitud del ácido nucleico a detectar, cuanto más competitiva se vuelve nuestra tecnología, ", Comentó Nikitin." Podemos fabricar agentes ultrasensibles controlados por pequeños ARN bien estudiados que tienen entre 17 y 25 bases de largo. Sin embargo, si tomamos secuencias de menos de 10 nucleótidos de longitud, simplemente no hay tecnologías con una sensibilidad comparable ".
Foto. Vladimir Cherkasov, un investigador líder en el Laboratorio de Nanobiotecnología, MIPT, prepara tiras reactivas para un análisis de ADN expreso. Crédito:Evgeniy Pelevin / MIPT
"Lo que es aún más emocionante es que nuestro método permite sondear el microambiente de las células para determinar si los ARN pequeños más cortos son marcadores de enfermedades útiles en lugar de los compuestos sin sentido que comúnmente se consideran debido a las dificultades en su detección". "agregó el científico.
La tecnología recientemente desarrollada ofrece perspectivas para la genómica, tanto en términos de análisis rápidos de ADN en el lugar de atención como para desarrollar nanomateriales terapéuticos de próxima generación. Los últimos años han sido testigos de inmensos avances en la investigación y edición del genoma, pero la nueva tecnología podría resolver el problema que sigue siendo relevante:administrar fármacos solo a las células con un perfil genético de microambiente particular.
Los investigadores planean seguir desarrollando su tecnología. Esto incluye el trabajo futuro en el recientemente establecido Centro de Tecnologías Genómicas y Bioinformática de MIPT.
