Nanotecnología como alternativa en el tratamiento del cáncer

Nanotecnología como alternativa en el tratamiento del cáncer

Autores: Luis Javier Martínez - Ángel Valentín Molina

Universidad ECCI 

Resumen:

Estudiar la hipertermia magnética como un tratamiento alternativo contra el cáncer le permite a la comunidad científica evaluar si este hallazgo ofrece nuevas perspectivas necesarias para determinar si el uso de nuevas tecnologías mejora el éxito de los tratamientos tradicionales.. En la hipertermia magnética se utilizan nanopartículas como un vector de transporte de agentes magnéticos que se dirigen hasta las células cancerosas y a la zona del tumor, donde son activadas con campos magnéticos externos para así inducir hipertermia en las células cancerosas. (1) Si estos resultados demuestran avances positivos en el tratamiento de la patología, se apoyaría aún más el uso de estos agentes magnéticos como agentes terapéuticos en conjunto con los tratamientos tradicionales. Por otra parte, este descubrimiento puede ayudar a profundizar la comprensión de los mecanismos de la muerte celular controlada por la exposición a campos magnéticos.


La hipertermia magnética es el nombre dado a un tratamiento experimental contra las distintas clases de cáncer, como el de pulmón, de mama, de próstata, etc. Se basa en el uso de nanopartículas magnéticas, que cuando se someten a un campo magnético, entran en resonancia mecánica y, por liberación de energía cinética, producen calor (2). Como consecuencia, si las nanopartículas se inyectan dentro de un tumor y el paciente es sometido a un campo magnético externo, con un equipo especialmente diseñado para este fin, la temperatura se elevaría debido a su presencia. Este método de tratamiento todavía no ha sido implementado en Colombia, sin embargo, desde 2015 se está estudiando su desempeño para evaluar una futura implementación a nivel nacional (Figura 1).

En Colombia, la Universidad ECCI y la Universidad del Rosario quieren explorar, a través de un proyecto de colaboración diseñado para realizar experimentos in vitro, la posibilidad de empezar a estudiar esta tecnología.

La hipertermia clásica se define mediante unas técnicas que se utilizan para generar hipertermia en tejidos cancerígenos como lo son el láser, la radiación ionizante y las microondas. Estas técnicas son capaces de elevar la temperatura intracelular hasta causar muerte celular; sin embargo, pueden tener efectos colaterales no deseados como la ionización de material genético (radiación) o la falta de selectividad (microondas y láser) que afectan a los tejidos sanos circundantes y, en algunos casos, debido a su ubicación, es muy difícil aplicar estas técnicas como en cánceres intracraneales.

La hipertermia clásica es uno de varios protocolos clínicos que buscan utilizarse como terapia complementaria a los tratamientos tradicionales contra el cáncer, que se entienden como la cirugía, la radioterapia y la quimioterapia. Se ha demostrado un claro efecto sinérgico cuando se combina la hipertermia con radioterapia debido a que el calor debilita las células cancerosas y la radiación las combate, así como cuando se combina con los efectos potenciadores de numerosos fármacos citotóxicos. (3) Sin embargo, hasta el momento la hipertermia clásica sola es un tratamiento limitado debido a la dificultad de generar la elevación de la temperatura exclusivamente en las células cancerosas o en el tumor. La razón de esta dificultad generalmente se debe a su ubicación o por el estado del paciente (4).

La hipertemia magnética no solo combate estas limitaciones, también busca resolver el problema de calentamiento localizado mediante la combinación de los campos y nanopartículas magnéticas como agentes que generan el calentamiento; en este caso, ya ni la ubicación ni el estado del paciente afectan el que las nanopartículas se ubiquen en las zonas donde se encuentran las células cancerosas, ya que ellas se desplazan por el sistema sanguíneo buscándolas y seleccionándolas por su morfología. Una vez ubicadas, se inicia el calentamiento especifico a través de la aplicación de un campo magnético externo en la región local del tumor sin dañar el tejido sano circundante.

La hipertermia magnética funciona gracias al desarrollo de métodos precisos para producir las nanopartículas magnéticas, que son encapsuladas dentro de polímeros o vesículas con superficies funcionalizadas (diseñadas con alta especificidad para que solo interactúen con una determinada célula o tejido, en este caso, solo contra las células cancerosas y el tejido tumoral) (5). El éxito en la aplicación de esta técnica como tratamiento que potencialmente puede ser utilizado contra el cáncer está en seguir funcionalizando, tanto bioquímica como fisiológicamente, las nanopartículas para que solo interactúen con las células cancerosas (Figura 3).

Las nanopartículas están definidas como partículas entre 1 y 100 nanómetros de tamaño. Actualmente la investigación en este campo es de gran interés científico debido a una amplia variedad de potenciales aplicaciones que las nanopartículas presentan en diversos campos, incluyendo los biomédicos, ópticos y electrónicos (2). Al hablar específicamente de aplicaciones biológicas, debemos aclarar que las nanopartículas magnéticas llevan un revestimiento para proteger el tejido biológico del material metálico (se utiliza un polímero o una vesícula), el cual debe tener una superficie polar para que cuente con una alta solubilidad en el agua y así evitar su agregación, lo cual impediría una distribución más pareja en el medio biológico. Las nanopartículas pueden estar enlazadas o acopladas en su revestimiento a moléculas biológicas que actúan como etiquetas de identificación o direcciones a seguir para dirigirlas a sitios específicos dentro del cuerpo, ya sean orgánulos dentro de una célula, o seguir el movimiento de proteínas o moléculas individuales en las superficies de células o a nivel intracelular. Todo depende del diseño.

Algunas etiquetas o marcadores de superficie comunes son los anticuerpos monoclonales, la estreptavidina o algunos péptidos. Estos agentes de direccionamiento o marcadores se unen a la nanopartícula a través de enlaces covalentes. Las polivalentes pueden agruparse en los receptores celulares y activar varias vías de señalización intracelular generando un anclaje más fuerte; las monovalentes, en cambio, tienen un único sitio de unión.

Las nanopartículas magnéticas más ampliamente utilizadas para la hipertermia magnética son las elaboradas con óxido de hierro, pues tienen la propiedad de ser biocompatibles y estables ante la oxidación, además sus propiedades magnéticas les permiten tener una buena respuesta a la aplicación del campo magnético externo. Existen nanopartículas de Cobalto (Co), Hierro (Fe) o aleaciones de hierro-cobalto (FeCo), pero las que mayor grado de magnetización tienen son las de óxido de hierro; por esto son las indicadas, ya que tendrán el mayor nivel de interacción con el campo magnético aplicado. El principal problema que se presenta con respecto a las nanopartículas metálicas se refiere a su protección contra la oxidación y la eventual toxicidad que genera en el cuerpo de los pacientes. Por esto es tan importante el recubrimiento polimérico para minimizar la interacción con los medios acuosos que permitan la partícula se oxide o que genere reacciones tóxicas en el cuerpo del paciente.

Los principales desafíos de los investigadores para continuar desarrollando y aplicando esta tecnología, y así seguir investigando la viabilidad de este método de tratamiento, es la caracterización de las nanopartículas, la identificación adecuada de sus efectos en los tejidos biológicos y el estudio del campo magnético óptimo que genere la mejor respuesta de las nanopartículas y su propio diseño, para que le permita ser lo más selectiva posible con el fin de que el mayor porcentaje de ellas llegue hasta las células objetivo y minimice las pérdidas en otros tejidos y por excreción (6, 7).

De los distintos desafíos que se presentan, el más crítico es el de diseño, lo cual está dado por sus marcadores superficiales que, a su vez, contribuyen a diferenciar los distintos tipos de cáncer logrando mayor especificidad a la hora de maximizar la efectividad del tratamiento.

Las nanopartículas deben ser producidas de manera que sean un coloide magnético a base de agua, elaborado con magnetita (Fe3O4), de tamaños promedio de 25 nanometros y recubiertas con un polímero biocompatible de polietilenimina (PEI). El control preciso de sus condiciones de fabricación garantiza un comportamiento constante. En el caso de que hubiera variaciones en la fabricación de las nanopartículas tendríamos comportamientos y resultados distintos cada vez que se aplicara el tratamiento. Es por esto que unas características constantes permiten reproducibilidad con respecto a su calentamiento y a los valores de magnetización bajo diferentes condiciones (7) (Figura 4).

Actualmente, las tecnologías basadas en nanopartículas magnéticas se aplican rutinariamente a los sistemas biológicos con fines diagnósticos o terapéuticos. El ejemplo más representativo puede ser la formación de imágenes a través de resonancia magnética (MRI), técnica que utiliza las propiedades magnéticas de las nanopartículas para obtener imágenes.

La administración dirigida de fármacos, moléculas o nanopartículas basado en su diseño "inteligente" es el próximo paso para terapias oncológicas, con la ventaja de que se logra el tratamiento mediante la entrega de una dosis mínima del nanocompuesto solo a las inmediaciones del tejido objetivo o del tumor (8). Mejoras actuales en estas áreas de estudio se basan en dos temas principales, la funcionalidad de las nanopartículas con ligandos o agentes específicos que solamente interactúan con aquellos que hayan sido diseñados, en este caso células cancerosas, orientando así los nanocompuestos hacia los receptores de la membrana celular de las células objetivo; y, segundo, recubrir las nanopartículas para que se desplacen adecuadamente al interior del organismo, ya sea con polímeros o en vesículas (1, 2).

Se resalta la importancia de continuar investigando y revisando el estado actual de la tecnología sobre la funcionalidad de las nanopartículas para generar tratamientos más eficientes para la terapia del cáncer. Dentro de los temas de estudio también están el lograr avances en su liberación selectiva y evaluar el impacto esperado en los protocolos de hipertermia magnética.

REFERENCIAS

(1)       G. Barratt. Colloidal drug carriers: achievements and perspectives. Cell. Mol. Life Sci., 2003, 60, 21

(2)       Hafeli, U.; Schutt, W.; Teller, J.; Zborowski, M. (Eds), Scientific and Clinical Applications of Magnetic Carriers, Plenum Press, New York, 1997.

(3)       Jordan A. Size matters. How the tiny world of nanotechnology is having a big impact on the pharma industry. Next Generation Pharma 2007.

(4)       Jordan A. Thermotherapy using magnetic nanoparticles: principles and clinical application of nanotherapy. EuroNanoForum Proc 2005:76-80.

(5)       Jordan A, Scholz R, Wust P, Fähling H, Felix R. Magnetic fluid hyperthermia (MFH): cancer treatment with AC magnetic field induced excitation of biocompatible superparamagnetic nanoparticles. J Magn Magn Mater. 1999; 201: 413-419.

(6)       Stahl H, Wust P, Maier-Hauff K, Seebass M, et al. The use of an early postoperative interstitial-hyperthermia combination therapy in malignant gliomas. Strahlenther Onkol. 1995; 171: 510–524.

(7)       Mitsumori M, Hiraoka M, Okuno Y, et al. A phase I and II clinical trial of a newly developed ultrasound hyperthermia system with an improved planar transducer. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 1996; 36: 1169–1175.

(8)       Guthkelch AN, Carter LP, Cassady JR, et al. Treatment of malignant brain tumors with focused ultrasound hyperthermia and radiation: results of a phase I trial. J Neurooncol. 1991; 10 (3): 271-284.

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