Acelerando la detección temprana de enfermedades con nanobiotecnología

Imagínese este escenario:los exámenes físicos anuales se complementan con un chip de diagnóstico doméstico asequible, que le permite controlar regularmente su salud inicial con solo una simple muestra de orina. Aunque aparentemente usted parece gozar de buena salud, el dispositivo revela una fluctuación en su perfil de biomarcadores, lo que indica la posible aparición de un cáncer en etapa temprana o la presencia de un virus.

Los dispositivos de diagnóstico como una prueba de embarazo casera existen desde la década de 1970. Revolucionó la capacidad de una mujer para saber si estaba embarazada sin tener que esperar a una cita con el médico para confirmar sus sospechas. La prueba se basa en la detección de una hormona, la gonadotropina coriónica humana, presente en la orina. Pero, ¿podría ser tan simple y no invasivo detectar el cáncer, o un virus mortal, a partir de un tipo similar de muestra y dispositivo?

El chip nanoDLD de 2 cm x 2 cm de IBM Research montado en una plantilla de microfluidos

Durante los últimos años, un equipo interdisciplinario en IBM Research dirigido por el Dr. Joshua Smith, científico investigador e inventor maestro, y el Dr. Gustavo Stolovitzky, director del programa de Biología y Nanobiotecnología de Sistemas Traslacionales de IBM, han estado explorando esta idea por reequipar la tecnología del silicio y usarla para separar partículas de tamaño nanométrico como los elementos de virus y cánceres.

La respuesta se encuentra en la intersección de la biología humana y la nanotecnología. Primero, necesita una "biopsia líquida", que se puede obtener de muestras de orina o saliva. Luego, las biomoléculas diminutas en nanómetros deben separarse para la detección posterior de una enfermedad, incluso cuando su presencia es físicamente indetectable. Las técnicas de separación actuales requieren equipos costosos, un laboratorio de bioquímica y técnicos capacitados, lo que hace que los exámenes periódicos no sean prácticos. Pero un enfoque de nanotecnología basado en chips podría ofrecer una opción simple y asequible para permitir a los médicos detectar y monitorear potencialmente una enfermedad, incluso en sus primeras etapas, mucho antes de que se manifiesten los síntomas físicos y cuando el pronóstico de las opciones de tratamiento sea más positivo. Es el santo grial para los profesionales médicos:trate a las personas antes se enferman crónicamente.

La gran ventaja del equipo es la combinación de técnicas de fabricación y nanotecnología de vanguardia con experiencia en biología computacional. Esta potente sinergia es difícil de conseguir en otros laboratorios de investigación.

Conozca sus biopartículas

La separación de biopartículas no es de ninguna manera un concepto nuevo, pero en sus últimos experimentos, el equipo de Smith y Stolovitzky es el primero en haber separado con éxito biomoléculas a nanoescala, específicamente exosomas (vesículas derivadas de células que se encuentran en fluidos corporales que contienen carga genética liberada de la célula madre). hasta solo 20 nm de diámetro, aproximadamente 1 / 5,000th de un cabello humano. A esta escala, se puede separar una gran cantidad de biopartículas importantes, incluidos los exosomas, el ADN, los virus y los complejos de proteínas antes mencionados, que pueden indicar potencialmente el inicio temprano de una enfermedad, la existencia de un virus poco después de la exposición o usarse para monitorear la progresión de la enfermedad.

Utilizando una tecnología llamada desplazamiento lateral determinista a nanoescala, o nanoDLD, se puede pasar una muestra líquida, en un flujo continuo, a través de un chip de silicio especialmente diseñado con una matriz de pilares asimétricos. Esta matriz permite que el sistema clasifique una cascada microscópica de partículas, separando las partículas por tamaño hasta una resolución de decenas de nanómetros. La separación se produce cuando las partículas más pequeñas se mueven en zig-zag en la dirección del fluido, mientras que las partículas más grandes atraviesan la matriz en la dirección de la asimetría de los pilares, como los conductores de camiones forzados a entrar en el carril de camiones en una autopista, lo que permite materiales de diferentes tamaños. para ser aislado para detección o análisis posterior.

"El impacto social de esta investigación es que podría permitir a los médicos detectar el cáncer temprano ... cuando hay más posibilidades de curarse", dijo Stolovitzky. “Queríamos que esta investigación se realizara en el área del cáncer y también en el área de detección de ADN y virus como el Zika. Todo se reduce a lo mismo:poder tener una herramienta de diagnóstico pequeña y asequible que puede detectar cantidades diminutas de partículas de biomarcadores que les dicen a los médicos algo sobre la salud de una persona ".

Escala de la biología desde humanos hasta átomos y los nuevos rangos de nanoescala que el dispositivo nanoDLD de IBM Research puede alcanzar [infografía completa]

Smith agregó:“La capacidad de los médicos para evaluar regularmente el perfil biológico de una persona de una manera asequible y no invasiva tiene el potencial de marcar el comienzo de una nueva era de preventiva atención médica y ampliar nuestra comprensión de los factores que contribuyen a la progresión de la enfermedad ".

Uso de exosomas para promover la medicina preventiva

Como parte del desarrollo continuo de esta tecnología, IBM Research está colaborando con un equipo del Mount Sinai Health System, dirigido por Carlos Cordon-Cardo, MD, PhD, presidente del Departamento de Patología del Mount Sinai Health System y profesor de Patología, Genética y Ciencias Genómicas y Ciencias Oncológicas en la Facultad de Medicina Icahn. La colaboración reúne la experiencia del dominio de Mount Sinai en cáncer y patología, mientras que IBM Research aporta su experiencia en bioinformática y su última tecnología de separación a nanoescala.

En la guerra contra el cáncer, los exosomas se consideran cada vez más como biomarcadores útiles para el diagnóstico y pronóstico de tumores malignos. Los exosomas se liberan en fluidos corporales de fácil acceso, como sangre y orina, y representan una valiosa herramienta biomédica, ya que pueden revelar el origen de un cáncer.

“Nos hemos dado cuenta de que las células se hablan a sí mismas enviando mensajeros. Algunos de estos mensajeros se almacenan y transfieren dentro de varias vesículas pequeñas o exosomas. Hemos aprendido que dentro de estos sobres se puede encontrar mucha información crítica, incluidas las codificadas por proteínas, o incluso los mensajeros de nuestras propias células en forma de fragmentos de genes de ADN y moléculas de ARN ”, dijo Cordon-Cardo.

Cordon-Cardo está motivado por la oportunidad de utilizar la información contenida en los exosomas para adelantarse a las enfermedades.

“En la actualidad, no buscamos 'atención médica' en el contexto de su definición exhaustiva. Hoy en día, llevamos a cabo esencialmente lo que podemos definir como 'atención a los enfermos'. Las personas sanas, los profesionales médicos y la sociedad en general deben ser educados para aceptar e implementar la 'atención médica'. Encontramos el tiempo para llevar nuestro automóvil para su inspección anual , pero no a nosotros mismos. A menudo es porque tenemos miedo de que algo pueda estar mal. Los exosomas podrían ayudar en la detección temprana de enfermedades. Cuestionar e interrogar qué mensajes están comenzando a enviarse entre órganos para predecir lo que puede suceder, sería una de las nuevas formas más interesantes de ver la atención médica ”.

Cordon-Cardo cree que con la tecnología nanoDLD de IBM, los expertos pueden escuchar más eficazmente los mensajes que se envían entre células y órganos de una manera no invasiva. Monitorear esta conversación intercelular con más regularidad permitiría a los expertos actuar como un acompañante virtual, observando cuidadosamente hasta que llega el momento en que la condición se ha revertido y el paciente ha regresado a un estado saludable, o permitiendo que los médicos decidan que algo más invasivo es justificadamente necesario. .

Micrografía electrónica de exosomas en una superficie.

“Cuando nos adelantamos a la enfermedad, normalmente podemos abordarla bien; pero si la enfermedad está por delante, el viaje suele ser mucho más difícil. Uno de los desarrollos importantes que estamos intentando en esta colaboración es tener las bases básicas para identificar firmas moleculares que pueden estar allí desde muy temprano ”, dijo.

Pruebas con cáncer de próstata

IBM Research y Mount Sinai planean probar la tecnología nanoDLD en el cáncer de próstata, el cáncer más común en hombres en los EE. UU. En el cáncer de próstata, los médicos recomiendan que los hombres mayores de 50 años se hagan una prueba anual para detectar un antígeno prostático específico (PSA) extraído de una muestra de sangre. Sin embargo, tener un nivel elevado de PSA no significa necesariamente que una persona tenga o vaya a tener cáncer de próstata. Por el contrario, no dar positivo en la prueba de PSA tampoco impide que una persona desarrolle cáncer de próstata.

La esperanza es buscar biomarcadores sensibles específicos, y los exosomas representan hoy una nueva frontera que ofrece pistas que podrían contener la respuesta a si una persona tiene cáncer.

“Con los exosomas puedes vislumbrar lo que está procesando una célula cancerosa. Las células arrojan exosomas todo el tiempo. Si los detectamos, podemos ver lo que hay dentro sin tocar el cáncer ”, dijo Stolovitzky.

En este momento, la investigación aún se encuentra en sus primeras etapas. Los últimos resultados científicos del equipo de investigación de IBM se publicaron hoy en Nature Nanotechnology *. Como parte de los próximos pasos, el equipo espera aumentar el volumen y el rendimiento de lo que el dispositivo puede manejar y diseñar el dispositivo para que pueda separar biopartículas de menos de 20 nanómetros, llevándolas así al ámbito de las proteínas individuales.

También planean confirmar que su dispositivo es capaz de detectar los tipos de biomarcadores que esperarían ver en los exosomas de los pacientes con cáncer de próstata y continuarán trabajando en la construcción de un dispositivo prototipo de grado clínico. Se necesitarían ensayos clínicos antes de que un dispositivo pudiera llegar al mercado. Pero al igual que la prueba de embarazo cambió el juego para las mujeres embarazadas, algún día en el futuro podríamos usar un dispositivo simple en el punto de atención que nos brinde signos reveladores de nuestra salud incluso antes de que notemos algún síntoma.

Nota al pie:

* Nanotecnología de la naturaleza: Matrices de desplazamiento lateral a nanoescala para la separación de exosomas y coloides hasta 20 n, DOI:10.1038 / NNANO.2016.134

Benjamin H. Wunsch (IBM Research), Joshua T. Smith (IBM Research), Stacey M. Gifford (IBM Research), Chao Wang (afiliación actual:Arizona State University), Markus Brink (IBM Research), Robert Bruce (IBM Research), Robert H. Austin (Princeton University), Gustavo Stolovitzky (IBM Research) y Yann Astier (afiliación actual:Roche Molecular Systems)