Nuestros cuerpos han desarrollado barreras formidables para protegerse contra sustancias extrañas:desde nuestra piel hasta nuestras células y cada componente dentro de las células, cada parte de nuestro cuerpo tiene capas protectoras. Estas defensas, si bien son esenciales, plantean un desafío importante para las terapias y los medicamentos farmacéuticos, como las vacunas, que tienen que sortear múltiples barreras para alcanzar sus objetivos.

Aunque estas barreras son de vital importancia en la ciencia farmacéutica y el diseño de fármacos, todavía se desconoce mucho sobre ellas y cómo superarlas.

En un estudio reciente, investigadores de la Universidad Xi'an Jiaotong-Liverpool y la Universidad de Nanjing en China, y la Universidad de Western Washington y Emory en los EE. UU., arrojaron algo de luz sobre por qué la entrega de terapias a las células puede ser tan difícil.

Superando barreras

Con las vacunas contra el COVID-19, que nos han inyectado a cientos de millones de nosotros, el ARNm tiene que encerrarse dentro de burbujas grasas protectoras (nanopartículas de lípidos) para que pueda atravesar las defensas del cuerpo y llegar al objetivo previsto en nuestras células.

Algunos tipos de células, como las células madre, las células inmunitarias y las células nerviosas, tienen barreras que son particularmente difíciles de superar, por lo que la entrega de partículas en estas células es aún más desafiante.

En el estudio, publicado en la revista ACS Nano , los investigadores combinaron técnicas de microscopía de vanguardia para rastrear la entrega de nanopartículas, que a menudo se usan para la administración de fármacos, en células madre en tiempo real.

Sus hallazgos sugieren que, en ciertos tipos de células, las nanopartículas quedan "atrapadas" dentro de vesículas similares a burbujas y, por lo tanto, se les impide alcanzar su objetivo previsto.

El equipo utilizó sus hallazgos para crear un modelo matemático que puede predecir cuán eficiente será la entrega de nanopartículas en las células y ayudar al diseño de futuras terapias.

El Dr. Gang Ruan, autor correspondiente del estudio, dice:"Hemos desglosado el proceso de entrega de partículas en las células en pasos individuales, para que podamos visualizar cada paso y crear una ventana a los mecanismos utilizados por estas células para protegerse. .

"Para diseñar mejores métodos de administración de terapias, necesitamos una comprensión cuantitativa de cómo interactúan las partes de la célula y las nanopartículas. Como dijo una vez un gran bioingeniero que conocí, si fueras a diseñar un avión, tendrías que analizar la aerodinámica de cada parte antes de construir el avión.

"Al encontrar el cuello de botella en la entrega de nanopartículas en las células, nuestros hallazgos allanarán el camino para terapias más específicas e innovadoras que utilizan la entrega personalizada, potencialmente para pacientes individuales".

En espera de entrega

Anteriormente, la obtención de imágenes de la entrega de nanopartículas en las células se ha visto limitada debido a la velocidad rápida requerida y la pequeña escala. Sin embargo, el equipo multidisciplinario pudo usar sus diferentes campos de experiencia para crear formas innovadoras de superar estos obstáculos. Combinaron dos tipos de análisis de microscopía, que anteriormente solo se usaban por separado, para permitirles estudiar todo el proceso de entrega.

Xuan Yang, quien comparte la autoría principal del estudio con el Dr. Xiaowei Wen, dice:"Pudimos rastrear el movimiento de las nanopartículas píxel por píxel, en tiempo real y, por lo tanto, visualizar el movimiento de las nanopartículas a través de barreras de membrana y cuando entraron en cada compartimento de las células madre".

Aunque el proceso de entrega de nanopartículas en estas células es complejo y consta de varios mecanismos, al visualizar y luego modificar químicamente cada paso del proceso, el equipo identificó la etapa crítica que impide la entrega de las nanopartículas a sus objetivos celulares.

Para poder ingresar a una célula, las nanopartículas pueden ser engullidas por la membrana que rodea la célula, formando vesículas similares a burbujas. En muchos tipos de células, las nanopartículas escaparían de estas burbujas una vez dentro de la célula. Sin embargo, en algunas células extraprotegidas, como las células madre utilizadas en este estudio, las nanopartículas parecen quedar atrapadas dentro de las vesículas y no pueden escapar. Esto significa que no pueden ingresar a la celda y alcanzar su objetivo.

Los investigadores combinan sus observaciones y análisis en un modelo matemático que puede predecir con qué eficiencia y rapidez las partículas pasarían por cada paso de la entrega y entrarían en una célula.

"Nuestro modelo se puede usar para predecir cuál será la concentración de las nanopartículas, en un lugar particular de la célula, en un momento particular", dice el Dr. Wen.

"El método general de este modelo se puede utilizar para incorporar diferentes tipos de nanopartículas y células para comprender mejor los mecanismos de entrega utilizados para pasar a las células. Por ejemplo, predecir qué tan bien las nanopartículas lipídicas en las vacunas COVID-19 entregarán el ARNm en una célula ."

El Dr. Steven Emory, quien también es autor correspondiente del estudio, agrega:"Ser capaz de mapear los diferentes componentes y el funcionamiento interno que conforman las vías de administración en tiempo real conduce a comprender cómo controlar estas vías. Esto podría abrir algunas cosas realmente emocionantes en términos de terapia.

"Esperamos que nuestras nuevas herramientas y nuestra comprensión hayan creado un punto de apoyo inicial para el sistema, desde donde nosotros y otros investigadores podamos comenzar a escalar y comenzar a explorar". + Explora más

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