Cómo los nanobots están acelerando las terapias dirigidas al cáncer

El cerdo vivo en la máquina de imágenes por resonancia magnética (MRI) era algo común para Sylvain Martel, un investigador de nanorobótica en Polytechnique Montréal en Canadá, cuando entró en la sala de imágenes una tarde de 2017. Para entonces, Martel y sus colegas habían pasado más de una década refinando enjambres de pequeños robots que podían guiar a través de los animales usando el magnetismo de la máquina. La esperanza era que esos nanorobots algún día pudieran ser un vehículo de administración de medicamentos contra el cáncer. Esa noche, el grupo estaba explorando el efecto de la gravedad, probando si cambiar la posición del cerdo en la máquina podría ayudar a los nanobots a navegar por las numerosas arterias ramificadas hasta el hígado.

Foco en la naturaleza: robótica

Mientras el equipo observaba la pantalla, los robots se desplazaron gradualmente hacia el hígado, acumulándose allí como una nube brillante y parpadeante. En comparación con ensayos anteriores, en los que los cerdos estaban tumbados boca arriba, colocarlos dentro del aparato de resonancia magnética con un ligero ángulo hacia abajo provocó un aumento de casi tres veces en el número de robots que llegaban a su destino. Martel dice que aunque el experimento exitoso solo presagiaba más trabajo, se sintió como la culminación de años de prueba y error.

«Todos estos años, hemos estado mostrando diligentemente diferentes pasos del proceso. Refinamos la tecnología, demostramos que los robots podían transportar y administrar medicamentos y ahora habíamos demostrado que podíamos moverlos eficientemente a través de distancias de escala humana», dice. Llegar a esta etapa “llevó mucho tiempo, pero también parece que los siguientes pasos deberían ser mucho más rápidos”.

El trabajo de Martel y sus colegas ha acercado a los científicos al despliegue de la tecnología nanorobótica en humanos, un umbral que, una vez superado, algún día podría revolucionar el diagnóstico, el seguimiento y el tratamiento de muchos cánceres. Las últimas etapas de investigación en modelos animales ya han demostrado cómo los nanorobots pueden ayudar a los médicos con biopsias y cirugías, servir como agentes de detección de cánceres difíciles de detectar, privar de oxígeno a los tumores y administrar medicamentos y vacunas contra el cáncer. El cáncer, en particular, es un campo propicio para la innovación en nanorrobótica.

Tomar prestado de la naturaleza

Los nanorobots se definen vagamente por su tamaño (normalmente menos de 100 nanómetros) y su capacidad de movimiento dirigido o autónomo. Este movimiento los distingue de tecnologías como los nanotransportadores, que pueden transportar carga molecular pero lo hacen de forma pasiva. Incluso los microrobots ligeramente más grandes, de alrededor de 1 milímetro de tamaño, a menudo dependen de la nanotecnología, por ejemplo en sus motores, o explotan fenómenos físicos que ocurren a nanoescala. Por lo tanto, los investigadores a menudo los agrupan bajo el término combinado micronanorobots (MNR).

En la década de 1990 aparecieron versiones rudimentarias de estos robots, que ofrecieron una prueba de concepto de que los investigadores podían crear robots a microescala. Aproximadamente dos décadas después, el primer MNR llegó a la investigación del cáncer, cuando un equipo de Corea del Sur desarrolló un «bacteriobot» capaz de detectar tumores sólidos centrándose en los gradientes químicos emitidos por las células cancerosas.¹. Los MNR a menudo se dividen en dos categorías, inorgánicos y orgánicos, según los materiales utilizados para construirlos. Los robots inorgánicos pueden incluir metales como plata, oro o hierro, y los robots orgánicos suelen construirse utilizando estructuras de ADN o proteínas. Ambos tipos pueden manipularse utilizando fuerzas como el magnetismo, la luz y la acústica o mediante reacciones químicas y catalíticas que los impulsan hacia su destino.

Björn Högberg, biofísico del Instituto Karolinska de Estocolmo, afirma que los métodos para construir nanorobots se han perfeccionado con el tiempo, en particular la fabricación de sus componentes. Högberg dice que gran parte de su trabajo se centra en una técnica llamada origami de ADN, en la que los científicos tratan el ADN «no como un material genético, sino como un material de construcción» capaz de construir intrincadas estructuras en 2D y 3D. «Ahora hay muchos ejemplos inteligentes del uso del origami para ocultar cosas como ligandos o fármacos dirigidos a tumores, donde expone su carga en el lugar correcto y en el momento correcto», dice.

Los robots demuestran principios de inteligencia colectiva

Cada vez más, los investigadores crean lo que se conoce como robots biohíbridos, que introducen elementos sintéticos en entidades biológicas como bacterias, algas y espermatozoides. Los científicos rápidamente se dieron cuenta de que la naturaleza ya había diseñado muchas de las características que hacen que un nanorobot tenga éxito, incluidos flagelos en forma de látigo para el movimiento y sensores para detectar gradientes. “Una bacteria ya tiene un motor con todos los componentes que reconoceríamos”, afirma Martin Pumera, investigador de nanorobótica en el Instituto Tecnológico de Europa Central en la República Checa. «Lo que perseguimos ahora es la combinación ideal de ambos mundos, el sintético y el biológico».

Estos avances han dado a los investigadores más control sobre la velocidad y orientación de los robots e incluso les han permitido desarrollar dispositivos que pueden intercambiar entre mecanismos de propulsión. Martel, por ejemplo, utilizó una bacteria marina para crear un nanobot que puede moverse a las proximidades de un tumor mediante magnetismo y luego puede cambiar a un sensor a bordo que detecta gradientes de oxígeno a medida que se acerca.². Debido a que el microambiente del tumor tiene poco oxígeno, «crea una baliza que estos robots pueden buscar», dice Martel.

viniendo por cancer

Con estos componentes básicos en su lugar, los científicos ahora están aplicando tecnología nanorobótica en todo el espectro de la investigación del cáncer, utilizando nanobots para investigar al menos una docena de tipos de cáncer. Joseph Wang, nanoingeniero de la Universidad de California en San Diego, dice que el cáncer podría ser el campo que más se puede beneficiar de estas herramientas de medicina de precisión, en parte debido a lo difícil que puede ser erradicar el cáncer y lo invasivos que pueden ser los tratamientos existentes. «Existe un deseo entre los pacientes de tratamientos que no requieran cirugías o inyecciones dolorosas, y creo que los nanorobots tienen mucho que ofrecer aquí», afirma.

Hoy en día, los mayores avances en la investigación de nanorobótica basada en el cáncer se dan en la administración dirigida de fármacos, lo que ofrece una mejora notable con respecto a los tratamientos convencionales, como la quimioterapia y la radioterapia, que son de acción amplia y con efectos secundarios graves. Y el desarrollo de terapias dirigidas es el objetivo no sólo de la investigación del cáncer, sino también de la medicina de precisión en un sentido más amplio.

Por qué deberíamos limitar la autonomía de las armas basadas en IA

Una terapia prometedora es el uso de nanorobots para administrar la enzima trombina a los tumores, para privar eficazmente de oxígeno a las células cancerosas coagulando la sangre que las alimenta. En China, investigadores han utilizado origami de ADN para crear nanorobots que se unen a la nucleolina, una proteína expresada en las células vasculares que transporta sangre a un tumor.³. La unión también sirve como desencadenante para cambiar la conformación del origami y liberar la trombina. Hasta ahora, esta terapia se ha probado en modelos de ratón de una forma agresiva de cáncer de mama, en los que frenó el crecimiento del tumor, inició la muerte de las células cancerosas y evitó la propagación del cáncer (metástasis).

Mariana Medina-Sánchez, investigadora de nanobiosistemas en el Centro Vasco de Investigación Cooperativa en Nanociencia en San Sebastián, España, se centra en los cánceres que afectan el sistema reproductivo femenino. Ella dice que los investigadores a menudo desarrollan MNR que se basan en las características específicas del sistema en el que están trabajando, como lo ha hecho ella con el sistema reproductivo. Su MNR es un biohíbrido construido a partir de un espermatozoide y una estructura magnética impresa en 3D que puede guiarse por magnetismo y liberar el esperma en el objetivo.⁴. Además de su poderosa cola, el espermatozoide contiene enzimas para fusionarse con las membranas celulares. Medina-Sánchez ha aprovechado esa capacidad, permitiendo que el MNR se una a tumores sintéticos de cuello uterino y de ovario, donde luego liberan fármacos.

«Lo que estamos descubriendo es que podemos administrarles fármacos anticancerígenos (incluso terapias combinadas) sin afectar su viabilidad, lo que los hace ideales», afirma. «De hecho, su movimiento de cola es tan fuerte» que también causan daño físico al tumor simplemente alterando el entorno celular. Los espermatozoides biohíbridos también tienen una capacidad natural para amortiguar las respuestas inmunes al mostrar ciertas proteínas, lo que los hace menos propensos a dañar a su huésped.