Cuando se trata de administrar medicamentos al cuerpo, un desafío importante es garantizar que permanezcan en el área que están tratando y continúen administrando su carga útil con precisión. Si bien se han logrado avances importantes en la administración de medicamentos, monitorearlos es un desafío que a menudo requiere procedimientos invasivos como biopsias.

Investigadores de NYU Tandon, dirigidos por Jin Kim Montclare, profesor de Ingeniería Química y Biomolecular, han desarrollado proteínas que pueden ensamblarse en fibras para usarse como agentes terapéuticos para tratamientos potenciales de múltiples enfermedades.

Estos biomateriales pueden encapsular y administrar terapias para una serie de enfermedades. Pero si bien el laboratorio de Montclare ha trabajado durante mucho tiempo en la producción de estos materiales, hubo una vez un desafío difícil de superar:cómo asegurarse de que estas proteínas continuaran brindando su terapia en el lugar correcto del cuerpo durante el tiempo necesario. /P>

En un estudio reciente publicado por la revista ACS Applied Nano Materials , su laboratorio pudo crear biomateriales fluorados. Gracias a esta fluoración, se pueden controlar mediante simples exploraciones por FMRI, lo que permite a los profesionales médicos garantizar que los medicamentos permanezcan en las áreas de tratamiento mediante tecnología de imágenes no invasiva.

El material está compuesto de proteínas naturales, pero el equipo de investigación introdujo el aminoácido no natural, la trifluoroleucina. Debido a que el flúor es poco común en el cuerpo, permite que los biomateriales se iluminen como un espectáculo navideño cuando el cuerpo se somete a una exploración 19FMRI.

"Como agente teranóstico, no sólo puede ofrecer una terapia para el cáncer o la enfermedad de las articulaciones, por ejemplo, sino que ahora podemos ver que todavía está en el cuerpo y liberando el medicamento donde se supone que debe hacerlo", dice Montclare. "Elimina la necesidad de realizar cirugías invasivas o biopsias para ver qué está pasando".

El laboratorio de Montclare realiza investigaciones innovadoras en la ingeniería de proteínas para imitar la naturaleza y, en algunos casos, funcionar mejor que la naturaleza. Trabaja para personalizar proteínas artificiales con el objetivo de abordar los trastornos humanos, la administración de fármacos y la regeneración de tejidos, así como crear nanomateriales para la electrónica. Mediante el uso de la química y la ingeniería genética, ha contribuido a enfermedades que van desde la COVID-19 hasta la osteoartritis y muchas más.

Este avance utiliza los mismos aminoácidos y proteínas que caracterizan gran parte de la investigación de Montclare. Debido a que están hechos de materiales orgánicos, cuando estos biomateriales han completado su trabajo y han brindado terapia, el cuerpo puede descomponerlos sin ningún tipo de efectos adversos.

Esto lo distingue de otros tratamientos que utilizan materiales no orgánicos que podrían provocar una respuesta inmunitaria grave u otras reacciones. En combinación con la técnica de fluoración, estos materiales podrían proporcionar un tratamiento para enfermedades localizadas que puede ser mucho menos invasivo que los tratamientos actuales y mucho más fácil y menos perjudicial de controlar.

Montclare trabajó estrechamente con el profesorado de la Facultad de Medicina de la Universidad de Nueva York en este estudio, incluido el coautor correspondiente Youssef Z. Wadghiri en el departamento de Radiología, así como Richard Bonneau en el Instituto Flatiron.

El equipo de Montclare mostró su investigación en modelos de ratón, pero ella ya está buscando experimentar en ratones con trastornos específicos para demostrar la capacidad de la proteína para tratar enfermedades.

Las proteínas de autoensamblaje que utilizó el equipo de Montclare son sólo un subconjunto de lo que ella y su laboratorio están trabajando. En otro artículo publicado en Biomacromolecules , su laboratorio pudo utilizar el diseño computacional para crear proteínas que podrían formar hidrogeles, gracias a un programa escrito por su doctorado. estudiante Dustin Britton.

Estos hidrogeles tienen diferentes temperaturas de transición:la temperatura a la que los geles pueden permanecer gelificados sin disolverse o volverse inestables. Anteriormente, el límite superior de gelificación rondaba los 17° Celsius. Para aplicaciones biomédicas, esto no era óptimo, ya que se derretiría a medida que se acercara a la temperatura del cuerpo humano. Mediante el uso de sus proteínas diseñadas computacionalmente, Britton pudo cambiar este límite hasta 33,6° Celsius.

Debido a esta nueva estabilidad, las proteínas que diseñaron Britton y Montclare podrían usarse para tratamientos tópicos, incluida la curación de heridas. Y además de la mayor tolerancia al calor, la nueva proteína puede gelificarse mucho más rápido que las versiones anteriores, lo que la hace mucho más eficiente y útil para aplicaciones médicas.

Mientras cambiaba la temperatura, Britton también pudo diseñar una proteína que también es fluorescente, lo que significa que tiene el mismo potencial de visualización que las proteínas fluoradas en su otro estudio. Eso permite a los médicos controlar su presencia en las heridas y garantizar que esté administrando su carga terapéutica. Y el gel tiene los mismos beneficios que las proteínas del laboratorio destinadas a uso interno, ya que podrá degradarse y disiparse en el cuerpo con pocos o ningún efecto nocivo.

El modelo informático de Britton hace más que diseñar esta proteína específica. Según Monclare, el campo de los biomateriales diseñados con proteínas ha estado dominado durante mucho tiempo por el método de prueba y error:probar diseños hipotéticos con la esperanza de ver si serán estables. Pero el modelo de Britton fue capaz de crear geles consistentemente exitosos, generando secuencias con una tasa de éxito extremadamente alta y creando nuevas proteínas con nuevas propiedades para posibles usos terapéuticos.

"Para la fabricación de biomateriales, esto acelerará absolutamente lo que podemos producir", afirma Montclare. "De la forma en que se hace tradicionalmente, se hacen cambios racionales y se ve si funciona, y el 90 por ciento de las veces no funciona. Con este nuevo modelo, todos funcionan, y luego podemos elegir entre los mejores". ese trabajo. Revolucionará la forma en que fabricamos biomateriales".

En el laboratorio de Monclare, esto ha cambiado la forma en que crearán nuevas proteínas y materiales en el futuro:no hay vuelta atrás a la práctica de iteración racional que tenía una tasa de fracaso tan alta. Y seguramente acelerará la producción de biomateriales revolucionarios que pronto curarán algunas de las afecciones médicas más graves en todo el mundo.

Más información: Dustin Britton et al, Fibras diseñadas con proteínas para la encapsulación de fármacos rastreables mediante resonancia magnética 19F, Nanomateriales aplicados ACS (2023). DOI:10.1021/acsanm.3c04357

Dustin Britton et al, Predicción computacional de la dinámica y estructura de gelificación de proteínas en espiral, Biomacromoléculas (2023). DOI:10.1021/acs.biomac.3c00968

Información de la revista: Biomacromoléculas

Proporcionado por la Escuela de Ingeniería Tandon de la Universidad de Nueva York