La entrega de medicamentos de manera precisa y efectiva se está consolidando como un área prometedora dentro de la medicina moderna. Terapias que son capaces de localizar de forma exacta las áreas del cuerpo donde son necesarias, evitando efectos adversos en otros tejidos, ofrecen la posibilidad de reducir las dosis de medicamentos y mejorar los resultados terapéuticos. Un enfoque en este sentido es la inmunoterapia dirigida, que se centra en tejidos cancerosos para activar las células inmunitarias y combatir la enfermedad exclusivamente en esos lugares.
Sin embargo, el desafío radica en diseñar terapias que sean realmente «inteligentes», permitiendo que los medicamentos se desplacen libremente por el organismo y tomen decisiones sobre las áreas a tratar. Investigadores de la Universidad de Washington han dado un paso significativo hacia este objetivo al desarrollar proteínas con capacidades de toma de decisiones autónomas. En un estudio publicado en Nature Chemical Biology, se demostró que, al añadir estructuras de cola inteligentes a las proteínas terapéuticas, se puede controlar su localización en función de la presencia de señales ambientales específicas.
Estas colas proteicas se pliegan en formas preprogramadas que determinan su reacción a diferentes combinaciones de señales. Además, el experimento reveló que estas colas inteligentes pueden unirse a un material portador para su entrega a células vivas. Los avances en biología sintética han permitido a los investigadores fabricar estas proteínas de manera económica y en cuestión de días, en lugar de meses.
Desarrollo de Materiales Biomédicos Programables
El concepto de biomateriales programables no es nuevo. Científicos han desarrollado diversas estrategias para hacer que los sistemas respondan a señales individuales, como niveles de pH o la presencia de enzimas específicas asociadas a determinadas enfermedades o áreas del cuerpo. No obstante, es poco común que una señal sea única para un solo lugar, lo que significa que un material que se enfoque en un único biomarcador podría actuar también en lugares no deseados.
Una solución a este problema es buscar combinaciones de biomarcadores. Aunque puede haber muchas áreas en el cuerpo con niveles particulares de enzimas o pH, es probable que existan menos áreas que presenten ambos factores. Teóricamente, cuanto más biomarcadores pueda identificar un material, más precisa será la entrega del medicamento.
En 2018, el laboratorio de DeForest creó una nueva clase de materiales que respondían a múltiples biomarcadores utilizando lógica booleana, un concepto tradicionalmente empleado en programación informática. «Nos dimos cuenta de que podíamos programar cómo se liberaban los terapéuticos simplemente en función de cómo estaban conectados a un material portador», explicó DeForest. Este avance, sin embargo, no era escalable, ya que los materiales lógicos grandes y complejos se fabricaban manualmente a través de la química orgánica tradicional.
En los años siguientes, el campo de la biología sintética ha progresado de manera notable. «El campo ha desarrollado herramientas emocionantes basadas en proteínas que permiten a los investigadores formar enlaces permanentes entre proteínas», afirmó Murial Ross, coautora del estudio. Esto ha abierto puertas a nuevos tipos de estructuras proteicas que antes no eran alcanzables, lo que posibilita operaciones lógicas más complejas.
Con estas nuevas herramientas, DeForest y su equipo han optimizado y mejorado múltiples pasos del proceso. Diseñaron y produjeron proteínas con colas que se pliegan espontáneamente en formas personalizadas, creando complejos «circuitos» que pueden responder a hasta cinco biomarcadores diferentes. Estas nuevas proteínas pueden unirse a distintos portadores —hidrogeles, microesferas o células vivas— para su entrega a células o, teóricamente, a sitios de enfermedad. El equipo incluso logró cargar un portador con tres proteínas diferentes, cada una programada para entregar su carga única basada en distintos conjuntos de señales ambientales.
Los investigadores continúan buscando más biomarcadores a los que las proteínas podrían dirigirse y aspiran a colaborar con otros laboratorios para desarrollar terapias aplicables en la práctica. Además, vislumbran otros usos para la tecnología, como la fabricación de terapias dentro de una sola célula y su dirección a regiones específicas, replicando un microcosmos de cómo funciona el proceso en el cuerpo humano. DeForest tiene la esperanza de que las primeras aplicaciones prácticas sean tratamientos contra el cáncer, aunque las posibilidades se sienten infinitas con más investigación.
La ambición final es poder elegir cualquier ubicación arbitraria dentro del cuerpo, hasta llegar a células individuales, y programar un material para actuar allí. Aunque es un objetivo ambicioso, con estas tecnologías se están acercando a su realización.
