Mirando hacia adentro

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Comprender lo que está sucediendo dentro del cuerpo humano es el corazón de la medicina. Durante siglos, los científicos han buscado mejores formas de detectar problemas, afecciones y enfermedades que van desde la presión arterial alta hasta el cáncer.

Una variedad de dispositivos de detección, desde termómetros y tensiómetros hasta oxímetros de sangre, han facilitado el monitoreo de los signos vitales y la detección de posibles problemas. Ahora, los investigadores están llevando la detección al nivel molecular utilizando nanotecnología y biología sintética: están desarrollando biosensores que se atreven a llegar a lugares a los que la medicina no ha llegado antes.

“Está volviéndose posible diseñar sensores que entreguen una pieza específica de información. Los diagnósticos biomédicos se están expandiendo a muchas aplicaciones. Los investigadores están descubriendo formas de detectar biomarcadores incluso a nivel de una sola célula”, dice Gabe Kwong, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Biomédica del Instituto de Tecnología de Georgia (Georgia Tech).

Estos sistemas emergentes detectarán infecciones, detectarán tumores cancerosos e identificarán la presencia de otras enfermedades crónicas, lo que se traducirá en intervenciones más tempranas y mejores tratamientos que salvan vidas. “Los biosensores vivos son una forma prometedora de mejorar nuestras habilidades diagnósticas”, dice Robert Cooper, investigador asociado en el Instituto de Biocircuitos de la Universidad de California, San Diego (UCSD).

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Una Nueva Perspectiva

El uso de biomarcadores para diagnosticar y tratar afecciones no es nuevo. A nivel básico, los análisis de sangre y de orina ofrecen información sobre los acontecimientos que tienen lugar dentro del cuerpo humano. Sin embargo, a pesar de todo el progreso que ha tenido lugar en la medicina en el último siglo, todavía queda un largo camino por recorrer en lo que respecta al diagnóstico y tratamiento de muchas afecciones.

Parte del problema es que detectar la presencia de moléculas o células específicas puede ser extraordinariamente difícil. Por ejemplo, una simple extracción de sangre de 10 mililitros puede contener solo unas pocas moléculas de cáncer, que podrían evadir la detección durante una prueba. “Es difícil encontrar la señal entre el ruido, especialmente cuando el cáncer está incrustado en un órgano complejo como el hígado o el pulmón”, explica Kwong.

Esto tiene implicaciones para la detección temprana, así como para el seguimiento del tratamiento. Por ejemplo, ahora se utilizan inhibidores del bloqueo de los puntos de control inmunológicos (ICB, por sus siglas en inglés) para tratar una variedad de cánceres. Aunque son mucho más efectivos para tratar malignidades que los tratamientos convencionales, solo alrededor del 25% de los pacientes se benefician de los medicamentos, que funcionan bloqueando las proteínas que evitan que el sistema inmunológico ataque las células cancerosas. Peor aún: muchos de los logros son solo temporales.

En consecuencia, los investigadores se centran en desarrollar una nueva clase de biosensores y métodos de tratamiento relacionados que funcionen a un nivel mucho más sofisticado, utilizando probióticos, biología sintética y herramientas específicas de edición genética como CRISPR para diseñar biomarcadores orgánicos e inorgánicos. “Es posible diseñar agentes, como bacterias, para realizar tareas específicas”, explica Cooper.

“Los biosensores pueden detectar reacciones químicas sutiles y mostrar resultados, ya sea el nivel de glucosa en sangre o una malignidad”, dice Kwong. “El cuerpo elimina células en sangre y orina que pueden indicar la presencia de células cancerosas u otras afecciones. El objetivo es detectar estos biomarcadores utilizando varios instrumentos”.

Medidas Desesperadas

Kwong está a la vanguardia de esta revolución. Él y un equipo de investigadores de Georgia Tech han desarrollado biosensores sintéticos que detectan si la terapia de ICB está funcionando mediante urianálisis no invasivo. Esta técnica evita la necesidad de una biopsia dolorosa o una tomografía computarizada (CT), que puede producir resultados inconcluyentes o engañosos. En cambio, se basa en detectar una alta presencia de proteínas que las células T emiten después de tomar un medicamento ICB.

La nanotecnología utiliza biosensores que se adhieren a la droga ICB. Después de una inyección, viajan a través del cuerpo hasta el sitio del tumor, donde las proteasas de las células T y las células tumorales activan un agente de señalización que se libera en la orina. La lectura resultante, en algunos casos ayudada por técnicas de inteligencia artificial y aprendizaje automático que pueden detectar patrones que escapan a los humanos, determina si un paciente está respondiendo o no a la terapia.

“La biología sintética nos permite diseñar sensores a medida para necesidades altamente específicas”, dice Kwong. Además, es posible manipular el tamaño, la forma, el color y otras características de los materiales para obtener diferentes resultados o medir diferentes cosas. “A medida que se reducen diferentes materiales, digamos a 10 o 100 nanómetros, se observan diferentes propiedades emergentes.” Esto puede llevar a cambios de color u otras características que un análisis puede identificar.

Científicos de UCSD y Australia también están empujando los límites de la bioseñalización. Utilizan una técnica de intercambio de genes que han denominado CATCH para identificar la presencia de cánceres de colon en organismos vivos.

“Los biosensores prototipo activan la resistencia a los antibióticos como resultado, lo cual es bastante fácil de detectar”, dice Cooper. “Se esparce una muestra en una placa de Petri con los antibióticos y se cuenta cuántas células crecen”. Sin embargo, antes de su uso clínico, planean reemplazar la resistencia a los antibióticos con una señal de salida más segura, como una molécula fluorescente detectable en la orina.

Hasta ahora, el grupo ha probado con éxito la técnica en ratones y esperan expandirla a los humanos en unos pocos años. “También abre la posibilidad de métodos de tratamiento más dirigidos”, dice Cooper.

Mientras tanto, un grupo en la Universidad de Cornell ha desarrollado nanopartículas de sílice híbrida (‘C-dots’) que ofrecen tanto imagen de tomografía por emisión de positrones (PET) como contraste óptico en la misma plataforma utilizando materiales fluorescentes. Un grupo en la Universidad de Columbia ha diseñado bacterias probióticas que colonizan tumores, haciéndolos así más fácilmente detectables. El equipo diseña circuitos genéticos que controlan el comportamiento de las células vivas para detectar y responder a su entorno en tiempo real.

Detectando Éxito

El futuro de la bioseñalización parece prometedor, aunque Kwon, Cooper y otros dicen que llevará varios años para que la tecnología se desarrolle y se vuelva práctica para los humanos. “Hay varios problemas importantes que resolver antes de que estas tecnologías puedan ser probadas en humanos. Es esencial saber que estas tecnologías funcionan y que son seguras fuera de un entorno controlado”, dice Cooper.

Eventualmente, Kwong dice que los nanosensores y la bioseñalización de próxima generación podrían usarse para detectar y tratar una amplia gama de condiciones y enfermedades. “La tecnología podría transformar la detección temprana y la medicina preventiva”, dice. Además, la bioseñalización podría revolucionar áreas fuera de la medicina, incluyendo el rastreo ambiental, la agricultura y la seguridad alimentaria.

“Estamos acercándonos a una era en la que es posible diseñar células como sensores que brinden información temprana sobre diversas condiciones y enfermedades”, concluye Kwong. “El resultado será una toma de decisiones más informada y vidas más saludables.”

Samuel Greengard es autor y periodista con sede en West Linn, OR, EE. UU.

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