Por qu las vacunas contra COVID-19 estn ayudando a regenerar tejidos daados en el cuerpo

La pandemia por coronavirus dio un gran empujn a las nanoterapias gracias al desarrollo de las vacunas genticas. Esto es lo que sabemos.

Gracias a las investigaciones desarrolladas a contrarreloj para vencer al SARS-CoV-2, en la actualidad resurge con fuerza la alianza entre la capacidad de trabajar con materiales a escalas microscpicas y la medicina. Sonia Contera, catedrtica de Fsica, Biologa y Nanomedicina en la Universidad de Oxford, nos cuenta los ltimos y esperanzadores avances en la lucha de su disciplina contra el cncer, las bacterias multirresistentes o los virus emergentes. Te explicamos por qu la pandemia propuls las nanoterapias.

Por Esther Paniagua

Nanoterapias, medicina regenerativa y la pandemia

covid tiempo
Foto: Getty Images

Una pelota de tenis tiene alrededor de 70 millones de nanmetros cada nanmetro es una milmillonsima de metro y un virus, alrededor de 100. Es difcil imaginar lo pequeas que son las nanopartculas y muy fcil maravillarse con sus proezas y promesas. Especialmente, en el terreno de la medicina regenerativa y las nanoterapias.

En el campo de la nanomedicina estn a la orden del da: desde las vacunas contra COVID-19 hasta el desarrollo de biomateriales para la medicina regenerativa, pasando por utilidades diagnsticas y de prevencin, imgenes mdicas, potenciacin de frmacos, bactericidas y equipos y materiales de proteccin viral.

Los nanocomponentes estn presentes hasta en los jabones con los que nos lavamos las manos para esquivar al coronavirus. Los encargados de deshacerse de los agentes maliciosos son los famosos tensioactivos, unas sustancias cuyas propiedades permiten reducir la tensin superficial del agua y hacen solubles en ella los microbios. Las molculas de jabn consiguen penetrar en ellos, dividirlos y liberar su contenido en el agua jabonosa, que acaba arrastrndolos.

Nanoterapias: los orgenes

Los tensioactivos llevan con nosotros algo ms de un siglo, si bien el uso de nanopartculas en el campo de la medicina ha sido algo ms tardo. Su desarrollo comenz en la dcada de los 80, cuando la nanoescala se hizo accesible a los cientficos gracias a microscopios que permitan ver por primera vez tomos. ste fue el origen de las nanoterapias, aunque los cientficos no lo saban todava.

As nos lo cuenta Sonia Contera, catedrtica de Fsica, Biolgica y Nanomedicina de la Universidad de Oxford, donde tiene su propio laboratorio. En su libro Nano Comes to Life (La nanotecnologa cobra vida), recuerda que, por aquel entonces, los qumicos comenzaron a producir las primeras nanopartculas en el campo de la biomedicina.

Entrada la dcada de los 90, bilogos y biofsicos empezaron a entender el mecanismo de las protenas. Al mismo tiempo, cientficos de otras disciplinas llegaron a la nanoescala por diferentes caminos. Investigadores como yo, que venamos de la nanotecnologa, nos empezamos a interesar por la biologa para entender las bases del funcionamiento biolgico: las biomolculas, los motores moleculares, afirma Contera.

Pequeo gran descubrimiento

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Un momento clave para las nanoterapias fue el hallazgo del farmaclogo Hiroshi Maeda, en 1986: descubri que las clulas del endotelio de los vasos sanguneos que alimentan al tumor estn alteradas; se encuentran separadas por un espacio mayor del habitual, lo que permite que se cuelen partculas de pequeo tamao entre ellas. Esta permeabilidad del tejido tumoral es una debilidad que, segn aventuraron los cientficos, podra aprovecharse para introducir frmacos que destruyeran las clulas malignas.

Para entonces an no se hablaba de nanomedicina. Mucho menos de nanoterapias. Fue en 1991, en el libro Unbounding the Future: The Nanotechnology Revolution, de Eric Drexler, Christine Peterson y Gayle Pergamit, cuando se utiliz por primera vez el trmino. Segn la Enciclopedia Britnica, luego fue popularizado por el cientfico estadounidense Robert Freitas, con la publicacin, en 1999, de Nanomedicina: capacidades bsicas, el primero de dos volmenes que dedic al tema. Su trabajo era una ampliacin de los estudios de Drexler.

Directo al ncleo

En aquellos aos se empezaron a probar nanopartculas para transportar medicamentos directo al ncleo del problema, ya fuera un tumor o a otras clulas especficas. De momento, sin mucho xito.

Un obstculo es que tanto el hgado como el rin se deshacen de ellas antes de que sean capaces de transportar el frmaco a la clula, prosigue la investigadora. Adems, el cuerpo tiende a crear autoinmunidad. Ello explica, en gran medida, por qu esta clase de terapias contra el cncer ha fallado tanto, apunta.

Aunque eso podra cambiar pronto. La cientfica cree que la pandemia ha adelantado la investigacin en nanomedicina y nanoterapias a pasos de gigante y que estamos asistiendo a su mayora de edad. La clave est en las nuevas vacunas basadas en cido ribonucleico mensajero (ARNm), que juega un rol determinante en la sntesis de protenas. El empuje de Moderna y BioNTech va a ser muy grande porque ahora se ha demostrado que el enfoque del ARNm es efectivo, seguro y se puede fabricar a escala, asegura la entrevistada.

Del miedo al optimismo

La investigadora reconoce que haba cierto temor en la comunidad cientfica respecto al uso masivo de este tipo de mecanismo de inmunizacin.

Ahora que sabemos que el sistema funciona, se abre la puerta al desarrollo de medicinas muy diferentes a las que tenamos. Las vacunas de Moderna y BioNTech-Pfizer funcionan de la misma forma y tienen una composicin muy parecida. Consisten en molculas de ARN encapsuladas en nanopartculas de lpidos, que son molculas que estn presentes en nuestra membrana celular, separando el interior del exterior de nuestras clulas (y tambin de muchos virus). El ARN de las dos vacunas contiene informacin de una versin ligeramente modificada de la protena spike [tambin llamada espcula o protena S], que se localiza en la superficie de los virus SARS-CoV-2 y es la responsable de la infeccin. Las nanopartculas son capaces de penetrar en la superficie de las clulas humanas y, una vez en su interior, el ARN que contienen se usa para producir la protena, que provoca una respuesta inmune, detalla Contera.

Es decir, que el ARN mensajero se usa para crear la protena del virus pero sin el virus. Y lo hace, contrario a lo que algunos creen, sin entrar en el ADN. Es decir, sin modificar nuestros genes.

Sin modificar el material gentico

Por qu? Porque el ARN no es capaz de entrar dentro del ncleo celular donde reside el ADN genmico y es degradado por la clula un da despus de la inyeccin.

De hecho, la fragilidad e inestabilidad del ARN es la razn por la que las vacunas deben conservarse congeladas a muy bajas temperaturas, agrega la experta.

Esa es la gracia, que el ARN mensajero no modifica los genes, aunque hay muchos virus que s lo hacen, aade Contera. De hecho, un gran porcentaje del ADN humano proviene de virus, que han sido fundamentales en nuestro proceso de evolucin y la han facilitado. Por ello, tambin, las nanoterapias han avanzado tanto durante la pandemia por COVID-19.

Diminutas pero poderosas

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Fotografa: Mayank Makhija/NurPhoto via Getty Images

Hablbamos de nanopartculas lipdicas clave en las vacunas de Moderna y BioNTech-Pfizer, pero estas dos no son las nicas basadas en ese tipo de nanocomponente. Tambin est presente en la de Novavax, aunque esta no contiene ARN, sino la protena spike directamente.

Adems de las vacunas preventivas, como tratamiento, las nanoterapias pueden combatir al COVID-19 desde distintos frentes, segn un artculo reciente publicado en la revista cientfica Emergent Materials. Ciertas nanopartculas pueden bloquear la unin celular y la entrada viral o detener la replicacin y proliferacin de los virus. Otras los inactivan o matan mediante frmacos nanoencapsulados y las hay que aumentan el efecto antiinflamatorio de los medicamentos, inhiben las tasas de infeccin o sirven para regenerar tejidos.

Ms all de los virus

En su mira tambin estn otros patgenos: las bacterias. Y ms en concreto, las que han desarrollado resistencia a los antibiticos convencionales. La mayora de los antibiticos son molculas pequeas que se unen a los microbios para matarlos o evitar que crezcan. El problema es que las bacterias pueden mutar con facilidad, creando defensas qumicas.

Para solucionarlo, los cientficos han descubierto que es posible disear nanopartculas con forma de icosaedro o poliedro de 20 caras llamadas nanoicosaedros con carga elctrica y capacidad de repeler el agua para adherirse y destruir las bacterias. Y, adems, lo hacen tan rpido que los microbios no pueden igualar su velocidad para desarrollar resistencia. Todo eso gracias al poder de la fsica y claro, de las nanoterapias.

El logro es obra de un equipo de fsicos, nanotecnlogos, biofsicos, bilogos, cientficos biomdicos e informticos de diversos centros de investigacin del Reino Unido. Sus hallazgos, publicados en la revista cientfica ACS Nano, se inspiraron en la forma en que los virus y nuestro propio sistema inmunitario innato matan bacterias: realizando nanoagujeros en su superficie. Es decir, decidieron echar mano de la fsica en lugar de la qumica. As, construyeron el nanoicosaedro, con trozos de protenas presentes en el sistema inmunitario humano.

Imitando la vida

El enfoque de las nanoterapias sigue la estela de la nanoingeniera de protenas, un campo emergente que las utiliza para disear y construir microestructuras y nanoestructuras, imitando as la vida.

Las protenas son los componentes bsicos de la vida. Pueden adoptar cualquier forma y funcin imaginables a nanoescala, detalla Contera. De hecho, todava no sabemos cuntas protenas diferentes hay en el cuerpo humano, ya que nuestras clulas podran tener la capacidad de crearlas y modificarlas a medida que lo necesite.

Entre sus funciones, estn crear las estructuras que permiten el movimiento, la extraccin de energa de los alimentos o la destruccin de patgenos. Ninguna nanotecnologa artificial hecha por humanos puede soar con tales capacidades, pero podemos intentar aprender cmo lo hace la vida, dice.

Datos, enigmas y nanoterapias

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Fotografa: Markus Winkler / Unsplash

Los nanotecnlogos de protenas son herederos de los hallazgos sobre uno de los enigmas ms espinosos de la biologa molecular: predecir la forma de una protena dada la informacin sobre la composicin de su cadena de aminocidos. Durante aos, esto se consider demasiado difcil porque requera de unos clculos inviables para las computadoras disponibles.

Sin embargo, dej de serlo cuando aument la capacidad de cmputo mediante el crowdsourcing. Es decir, se empezaron a usar los recursos de procesamiento de datos de las computadoras personales de miles de voluntarios. Hoy, la inteligencia artificial lo ha cambiado todo.

DeepMind, un laboratorio de investigacin propiedad de Alphabet compaa matriz de Google, ha hecho historia con su tecnologa de red neuronal AlphaFold. Gracias a su capacidad para analizar grandes volmenes de datos y hacer extrapolaciones, ha predicho ms de 350 mil estructuras del cuerpo humano y de otros 20 organismos, como los ratones o la mosca Drosophila melanogaster. Es, segn la revista Nature, un vasto tesoro de protenas que contiene la estructura de casi todo el proteoma humano.

Vasto tesoro de protenas

El hallazgo no resuelve el gran enigma de la creacin y modificacin de protenas en la naturaleza, pero s es un gran paso que ayudar a resolverlo. Se traduce en la posibilidad de poder computar ms estructuras, asegura Contera. Eso crear nuevas interrogantes cientficas que hasta ahora no se haban planteado. AlphaFold ha hecho pblica su tecnologa, lo que va a acelerar la biologa estructural de una manera colosal, resalta.

Pero este no es el nico ni el primer intento por conocer el mapa proteico del cuerpo humano. Es un sistema ms poderoso que refina lo que ya exista: el trabajo de dcadas de muchos investigadores, contina. El primer xito claro en este sentido se remonta a 2012, cuando David Baker y su equipo de investigadores de la Universidad de Washington crearon una enzima con una actividad 18 veces mayor ms potente que la original, tal y como publicaron en la revista Nature Biotechnology.

Fue posible gracias a un juego online llamado Foldit, que permite a cualquier persona juguetear con protenas plegables en busca de las configuraciones de mejor puntuacin, es decir, que consuman menor energa. Tras plantear una serie de acertijos a los jugadores y, luego, probar en el laboratorio variaciones en los mejores diseos, los investigadores fueron capaces de crear dicha enzima, que superaba con creces la eficacia de la original.

Un nuevo captulo en la historia evolutiva de la Tierra?

cambio climtico
Ilustracin: Getty Images

Adems del crowdsourcing, el xito en la aproximacin de Baker se debi a que se dio cuenta de que las estructuras proteicas correctas pueden inferirse slo teniendo en cuenta su historia evolutiva. Para comprender la fsica de la biologa y luego construir estructuras como lo hace la biologa, la historia evolutiva de la vida en la Tierra deba incluirse en los clculos matemticos.

As se convirti un problema imposible en uno computable. Con este camino ya avanzado, siendo capaces de predecir la estructura de las protenas, los cientficos comenzaron a aplicar a la inversa sus conocimientos para disear protenas que no existen en la naturaleza, con fines mdicos o tecnolgicos especficos. Se trata de piratear la maquinaria molecular de las clulas microbianas vivas como las bacterias y redisearlas para producir protenas previamente inventadas por ordenador.

Un ejemplo, en el que estn involucrados colegas de Baker del Instituto para el Diseo de Protenas de la Universidad de Washington, es una candidata a vacuna contra el COVID-19 basada en una nanopartcula diseada computacionalmente que, de nuevo, imita a la protena spike.

Cada vez ms cerca

Se llama GBP510 y su estructura molecular se parece ms o menos a la de un virus, lo que puede contribuir a que el sistema inmunitario la reconozca mejor. En estudios preclnicos ha demostrado producir niveles altos de anticuerpos y la posibilidad de mejorar la proteccin contra las nuevas variantes del coronavirus, segn resultados publicados en las revistas Cell y Nature.

Estas tecnologas de ingeniera biolgica han hecho realidad uno de los sueos de los pioneros de la nanotecnologa: el despliegue de ensambladores moleculares capaces de construir cualquier forma con precisin atmica, siguiendo un diseo racional, destaca Contera.

Lo que a la investigadora le parece ms interesante de todo esto es que no se ha logrado a partir de un ejrcito de nanorrobots artificiales desplegado dentro del cuerpo humano. En su lugar, utiliza la naturaleza misma, aprovechando su complejidad e historia evolutiva para crear nanoestructuras. Sin embargo, los avances en el terreno de las nanoterapias continan.

Grandes enemigos

molculas ADN
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Esta nueva perspectiva para dar forma a la materia seala el camino hacia un futuro en el que los cientficos pueden adoptar estrategias evolutivas para combatir enfermedades. De hecho, ya est produciendo avances asombrosos, como hemos visto, con estructuras de diseo similares a virus. En este campo, Contera destaca el trabajo de los investigadores de la Universidad de Washington, con un enfoque similar al de las vacunas de ARN mensajero, pero trasladado a un implante.

Consiste en introducir molculas que le den informacin al sistema inmunitario dentro de una especie de material nanomicroporoso ms pequeo que una aspirina, hecho de polmeros biodegradables. La idea es que se pueda insertar cerca del tumor para atraer a las clulas inmunitarias al implante como si se tratara de algo externo y all reprogramarlas para que ataquen al tumor, ampla.

En el laboratorio de Contera tambin trabajan en estrategias contra el cncer; en especfico, en su trabajo con el cirujano hepatobiliar Alex Gordon-Weeks, trata de entender la fsica de los tumores de pncreas a nanoescala. Investigan cmo las clulas se comunican mecnicamente dentro del tumor, algo sorprendente y fascinante, considera la cientfica.

Expandiendo los tratamientos experimentales en nanoterapias

Lo que han descubierto es que las clulas tienen una especie de computacin entre ellas y saben las propiedades mecnicas que buscan del tumor. Entender bien dicha mecnica, los modos de vibracin del tumor, es clave para aplicar terapias por ultrasonido de forma innovadora, revela.

Otro tratamiento experimental contra el cncer de pncreas es la hipertermia magntica antitumoral, que consiste en emplear nanopartculas magnticas que generan calor cuando se les expone a un campo magntico alterno externo, inocuo para los tejidos.

Tras estudiar varios parmetros crticos en su efectividad, investigadores del Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragn perteneciente al Consejo Superior de Investigaciones Cientficas (CSIC) y la Universidad de Zaragoza y el CIBER Centro de Investigacin  Biomdica en Red de Bioingeniera, Biomateriales y Nanomedicina, han detectado un aumento de la respuesta inmune en los modelos animales y una inhibicin del crecimiento tumoral. As lo publican en la revista ACS Applied Materials and Interfaces.

Lazos elctricos

COVID-19 caos cerebro
Ilustracin: KATERYNA KON/SCIENCE PHOTO LIBRA / KKO / Science Photo Library via AFP

Hablando de electricidad, Contera destaca tambin el uso de nanomateriales conductores de energa en forma de biopolmeros para hacer que las neuronas se reconecten despus de un accidente. Contribuirn a esa reconexin gracias a sus propiedades de conduccin elctrica y biocompatibilidad con el organismo humano.

Podran evitar, por ejemplo, problemas motores provocados por un accidente o un tumor, seala la experta. De momento, facilitan la regeneracin neurovascular y la recuperacin funcional motora despus de una lesin completa de la mdula espinal, tal y como sealaban los autores en Advanced Healthcare Materials, en 2021.

Contera destaca asimismo los avances en microingeniera combinando impresin 3D y tecnologa de polmeros para reproducir rganos humanos en chips. No son tiles para transplantar, pero s para probar medicinas. Como ejemplo pone al Instituto Wyss de Harvard, que ya ha creado reproducciones de este tipo.

Cules sern los siguientes pasos de las nanoterapias?

Son dispositivos de cultivo de microfluidos revestidos con clulas humanas vivas que imitan la microarquitectura y las funciones de los rganos humanos pulmones, intestinos, riones, piel, mdula sea y la barrera hematoenceflica, entre otros. Estos pequeos sucedneos, transparentes, flexibles y del tamao de una memoria USB, ofrecen una potencial alternativa a las pruebas tradicionales con animales. Se espera que, pronto, puedan sustituirlos en ensayos clnicos y emplearse para el desarrollo de frmacos y para promover la medicina personalizada.

As las cosas, para que la nanomedicina d sus frutos, Contera considera imprescindible que los equipos cientficos sean multidisciplinares.

Es una sinergia de habilidades: entender la estructura de las protenas y la fsica de cmo se ensamblan, conocer la biologa de las bacterias y los virus, aprender tcnicas biomdicas, saber hacer simulaciones informticas y microscopa muy avanzada, explica.

As, combinando conocimientos y saber hacer en diferentes disciplinas y aprovechando el impulso que ha tenido con el COVID-19, la nanotecnologa aplicada a la salud despliega su arsenal revolucionario. Como concluye nuestra entrevistada, asistimos al principio de una nueva medicina.

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