por Max G. Levy | Wired
Los investigadores han creado partículas autónomas cubiertas con parches de “motores” de proteínas. Esperan que estos bots transporten medicamentos que salvan vidas a través de fluidos corporales.
“El equipo cargó nanobots de sílice con antibióticos experimentales, incluido uno derivado del veneno de avispa, para tratar heridas infectadas en ratones. Los nanobots, que se colocaron en un extremo de una herida infectada, viajaron a través de la piel para tratar toda el área: el primer informe de nanobots que matan bacterias en animales”.
Siempre ha existido algo seductor sobre un nanobot. Los cómics y las películas te suplican que imagines estas cosas, miles de veces más delgadas que un cabello humano y capaces de recorrer un cuerpo y reparar un hueso o curar una enfermedad. (O, si son más nefastos, simplemente exploten). Su escala es insondablemente finita. Sus posibilidades, la ciencia ficción te harán creer, tremendamente infinitas. Si bien esa incongruencia lo hace perfecto para los habitantes de una sala de escritores que descubren cómo matar a James Bond , también es una especie de maldición. Seguramente no podemos tomar en serio una tecnología como esta. ¿Podemos?
Resulta que los nanobots están entre nosotros. Durante más de una década, Samuel Sánchez, químico del Instituto de Bioingeniería de Cataluña, en Barcelona, ha estado imaginando nanobots que podrían transportar cargas útiles, como medicamentos contra el cáncer o antibióticos, a través de los fluidos viscosos del cuerpo.
Imagine una partícula esférica de sílice, que funciona como un chasis. Sánchez ha demostrado que se puede salpicar su superficie con un revoltijo de proteínas especiales que impulsan la partícula a través del fluido, como pequeños motores. Su laboratorio ha experimentado con diferentes chasis, motores y carga. En una investigación publicada a fines de abril, unieron fuerzas con investigadores de antibióticos . El equipo cargó nanobots de sílice con antibióticos experimentales, incluido uno derivado del veneno de avispa, para tratar heridas infectadas en ratones. Los nanobots, que se colocaron en un extremo de una herida infectada, viajaron a través de la piel para tratar toda el área: el primer informe de nanobots que mataron bacterias en animales.
“Vemos que se cubre toda la herida. Las máquinas pueden viajar alrededor de la herida y eliminar la infección a medida que avanzan”, dice César de la Fuente, bioingeniero de la Universidad de Pensilvania que dirigió el proyecto con Sánchez.
Eso es importante, porque las drogas normalmente dependen de la difusión, o el proceso de propagación pasiva a través de los fluidos del cuerpo. Si el antibiótico más perfecto del mundo puede difundirse tan bien como un ladrillo en una tina de gelatina, bueno, no es perfecto .
Los antibióticos y las quimioterapias suelen ser moléculas pequeñas. Se mueven según los caprichos del líquido en el que se encuentren. Si inyecta ciprofloxacina en las venas de alguien para tratar una infección del torrente sanguíneo, su flujo sanguíneo llevará ese antibiótico a donde sea necesario. Pero, ¿qué pasa con los gérmenes que se esconden dentro de la mucosidad, un líquido mucho más espeso? ¿O persistentes como biopelículas densas en los pulmones? “Por lo general, el antibiótico solo mata las bacterias alrededor del área donde lo coloca, pero el antibiótico en sí mismo no puede viajar”, dice de la Fuente.
Es por eso que estas drogas necesitan mini motores. Sánchez imagina un nanobot que administra medicamentos para infecciones dentro de fluidos viscosos como el sebo o cánceres cerca de fluidos estancados como los de la vejiga. “En lugares donde la viscosidad es alta o la difusión es muy baja, ahí es donde se necesita movimiento”, dice Sánchez. “Si no tienes movimiento o propulsión, nunca llegarás del punto A al B”.
“Es una buena demostración del poder de los sistemas activos”, dice Jan van Hest, químico bioorgánico de la Universidad Tecnológica de Eindhoven en Holanda, que no participó en el trabajo. Es probable que los nanobots no reemplacen a los antibióticos comunes y corrientes, ya que a menudo deben ser simples y baratos. Sin embargo, van Hest señala rápidamente un par de otras situaciones en las que vale la pena el gasto y la molestia de los nanobots para conseguir movimiento: desmontar coágulos de sangre y mantener los implantes de cadera libres de infecciones. “Me lo imagino: permitirles caminar alrededor de la interfaz entre el implante y el tejido infectado”, dice.
De la Fuente también está entusiasmado con esta nueva vía, ya que los científicos se han esforzado por inventar nuevos antibióticos y nuevas formas de administrarlos. “Cuando vimos que la infección se resolvió”, dice, “esa fue la prueba. Estoy convencido de que esto puede tener futuro al tratar de resolver las infecciones de manera más efectiva”.
El laboratorio de la Fuente se enfoca en descubrir nuevos antibióticos , principalmente en forma de péptidos, que ocurren naturalmente como asesinos de gérmenes en todo el reino animal. Los péptidos son cadenas de hasta unas pocas docenas de aminoácidos, como fragmentos cortos de proteínas. El problema es que su difusión es lenta y el cuerpo degrada este tipo de pequeñas moléculas. De la Fuente se preguntó cómo lograr que navegaran por una herida densa o una biopelícula más rápido de lo que permitiría la difusión. Había seguido el trabajo de Sánchez durante años, incluidas las demostraciones recientes de su laboratorio de que los nanomotores podían transportar y dispensar medicamentos contra el cáncer , y que podían nadar de forma autónoma alrededor de las vejigas de los ratones. Los dos laboratorios se unieron, combinando sus tecnologías.
El equipo de Sánchez creó dos tamaños de bots hechos de dióxido de silicio (o sílice): nanopartículas y micropartículas un poco más grandes. Usaron una proteína llamada ureasa para impulsar esos chasis. La ureasa es una enzima que convierte la urea del cuerpo en amoníaco y dióxido de carbono. Como el motor de un automóvil, esa enzima convierte una reacción química en energía mecánica; la urea es su combustible.
El truco, dice Sánchez, es cubrir los bots con motores de forma asimétrica. La ubicación irregular y torcida del motor permite que el bot se aleje caóticamente de su punto de partida en lugar de dar vueltas a su alrededor. “Perfecto no es agradable”, bromea.
El laboratorio de De la Fuente contribuyó con la carga, uno de los dos péptidos antimicrobianos: LL-37, un péptido antimicrobiano natural largo, o K7-Pol, uno sintético más corto derivado del veneno de avispa. Cualquiera de los dos desintegrará una membrana celular bacteriana, básicamente derritiendo un germen y dejándolo inútil (K7-Pol también ha demostrado potencia en laboratorios contra parásitos y células cancerosas).
A continuación, demostraron que los robots podían nadar. En tubos de ensayo que contenían urea, los microbots alcanzaron velocidades de hasta 4 micrómetros por segundo, “una o dos longitudes corporales por segundo”, dice Sánchez. (Los humanos también nadan alrededor de la longitud de un cuerpo por segundo).
Entonces llegó el momento de demostrar que los bots también podían matar. Pero el equipo agonizaba sobre cómo demostrar que en realidad podían tratar la infección de un animal mejor que simplemente usando gotas pasivas de antibióticos. “Eso tomó algún tiempo”, dice de la Fuente.
Al final, idearon una configuración para probar dos criterios importantes: que los micro o nanobots antimicrobianos pueden tratar ratones infectados y que su movimiento activo juega un papel central en eso. El equipo usó una aguja para rascar cuidadosamente la espalda de los ratones de laboratorio e introdujo una superbacteria llamada Acinetobacter baumannii para infectar la longitud de cada herida. El proceso formó abscesos densos y difíciles de tratar. En algunos ratones, gotearon una dosis de uno de los dos antibióticos en un solo extremo del absceso. Esas dosis no tenían nanobots, por lo que para eliminar la infección, la droga tendría que difundirse por sí sola de un extremo a otro de la herida.
A continuación, un conjunto separado de ratones recibió miles de bots antimicrobianos administrados en una pequeña gota. Algunos ratones tenían bots cargados con LL-37, otros tenían bots con K7-Pol. El equipo cubrió cada herida con un poco de urea no tóxica, esperando que los robots engullieran el combustible y cubrieran más terreno.
Eso es exactamente lo que pasó. Las heridas que recibieron antibióticos sin bots solo mejoraron localmente. La cantidad de bacterias se redujo entre 100 y 1000 veces, pero solo en el extremo de la herida donde se administró la dosis. Al resto de la herida le fue como si no hubiera recibido tratamiento.
Pero los nanobots que llevaban cualquiera de los péptidos antimicrobianos trataron toda la herida y redujeron la cantidad de bacterias dentro de la herida de 100 a 1000 veces en toda su longitud, a niveles que un sistema inmunitario podría manejar.
Y para remachar todo, cuando los científicos retuvieron el combustible de urea, descubrieron que los robots antibióticos no curaron toda la infección. Sin ese combustible, solo funcionaban localmente, al igual que lo habían hecho las drogas sin bots. El combustible era esencial, lo que significa que el movimiento del motor era esencial, concluyó el equipo.
El resultado es uno de los ejemplos más concluyentes de los usos prácticos de los nanomotores, según van Hest. “Siempre es muy difícil establecer si esto es realmente un efecto de la motilidad de la partícula”, dice. “En este caso, la prueba es directa y clara”.
Douglas Dahl, jefe de oncología urológica en Mass General Brigham, llama a los nanobots “tecnología fenomenal”. Al igual que van Hest, Dahl ve un gran potencial en los nanobots para mantener seguros los implantes de rodilla, cadera e incluso pene.
Otra aplicación sería para el tratamiento de cálculos renales, que a menudo albergan biopelículas bacterianas a lo largo de grietas difíciles de alcanzar. “Cuando vas a operarlos, las bacterias pueden bañarse dentro del paciente y enfermarlo gravemente”, dice. De manera similar, los carcinomas uroteliales que afectan el revestimiento de la vejiga, el uréter y el riñón también crecen en espacios reducidos que complican el tratamiento. Él piensa que las drogas autopropulsadas podrían ayudar a los médicos a atacar estos evasivos tumores y gérmenes. Además, entre el tracto urinario, la vejiga y los riñones, tienes “mucho combustible”, señala Dahl: suficiente urea para impulsar un nano ejército.
En 1966, la película de ciencia ficción Fantastic Voyage imaginó un submarino encogido en una misión a través del torrente sanguíneo. Si bien los nanobots de Sánchez no pueden funcionar en sangre que fluye mucho más rápido de lo que pueden moverse, aún imagina viajes fantásticos a través de los fluidos corporales que se mueven más lentamente, como la mucosidad y el fluido intersticial de la piel . Y los nanobots todavía tienen una forma de hacer que la gente sueñe con ideas al borde de la realidad. “Como científicos, todos nos inspiramos en la ciencia ficción”, dice de la Fuente. “Y creo que nuestro trabajo a veces es tratar de acercar esos dos mundos. Lo que hoy parece ciencia ficción, esperemos que dentro de unos años se convierta en realidad”.
Fuente: https://www.wired.com/story/these-nanobots-can-swim-around-a-wound-and-kill-bacteria/
