Emplean biología sintética que permite la liberación de fármacos

Investigadores de la Universidad de California en San Diego (UCSD) y el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés), en Estados Unidos, han conseguido una estrategia para usar la biología sintética en la terapéutica. El enfoque, que se detalla en la edición digital de este miércoles de 'Nature', permite la producción continua y liberación de fármacos en los sitios de la enfermedad en ratones al tiempo que limita el tamaño, a lo largo del tiempo, de las poblaciones de bacterias manipuladas para producir los medicamentos. Los resultados se publican en la edición de julio en línea del 20 de Naturaleza.

Dirigidos por Jeff Hasty, profesor de Bioingeniería y Biología, diseñaron genéticamente una bacteria clínicamente relevante para producir medicamentos contra el cáncer y luego autodestruirse y liberar los medicamentos en el lugar de los tumores. Posteriormente, el equipo transfirió la terapia bacteriana a sus colaboradores del MIT para probarla en un modelo animal de la metástasis colorrectal.

El diseño de la terapia representa la culminación de cuatro artículos anteriores publicados en 'Nature' del grupo de la Universidad de California San Diego que describen el desarrollo sistemático de relojes genéticos diseñados y su sincronización. Con los años, los investigadores han utilizado un enfoque amplio que abarca la escala de la biología sintética y el nuevo estudio ofrece un enfoque terapéutico que minimiza el daño a las células circundantes.

"En la biología sintética, un objetivo de la terapéutica es apuntar a sitios de la enfermedad y minimizar el daño", explica el profesor de bioingeniería y biología de la Universidad de California San Diego Jeff Hasty. Se preguntó si podría diseñarse genéticamente un circuito para "matar" con el fin de controlar una población de bacterias en vivo, minimizando de este modo su crecimiento. "También queríamos administrar una carga terapéutica útil y significativa a la localización de la enfermedad", añade.

LIBERACIÓN DE RÁFAGAS DE MEDICAMENTOS

Con el fin de lograrlo, él y su equipo sincronizaron las bacterias para liberar ráfagas de medicamentos conocidos contra el cáncer cuando una colonia de bacterias se autodestruye dentro del ambiente del tumor. El uso de bacterias para entregar medicamentos contra el cáncer in vivo es atractivo porque la quimioterapia convencional no siempre llega a las regiones interiores de un tumor, pero las bacterias pueden colonizarlas. Es importante destacar que los investigadores observaron que la combinación de quimioterapia y los productos génicos producidos por el circuito bacteriano reducen constantemente el tamaño del tumor.

"El nuevo trabajo de Jeff Hasty y equipo es una brillante demostración de cómo la teoría de la biología sintética puede conducir a avances significativos clínicamente --afirma Jim Collins, profesor del MIT y uno de los fundadores del campo de la biología sintética--. Hace más de una década durante los primeros días de campo, Jeff desarrolló un marco teórico para la sincronización de los procesos celulares a través de una comunidad de células. Ahora, su equipo ha demostrado experimentalmente cómo se puede aprovechar este tipo de efectos para crear un novedoso enfoque terapéutico clínicamente viable".

Con el fin de observar la dinámica de la población de bacterias, los científicos diseñaron dispositivos de microfluidos personalizados para probarlos cuidadosamente antes de investigaciones en modelos de enfermedad animal. En consonancia con el diseño de ingeniería, observaron el ciclo de la población bacteriana que limita con éxito el crecimiento global permite al mismo tiempo la producción y liberación de la carga codificada. Cuando las bacterias estaban equipadas con un gen que impulsa la producción de un agente terapéutico, la lisis sincronizada de la colonia bacteriana mata las células de cáncer humano.

Según los autores, es el primer circuito diseñado diseñado genéticamente por biología sintética para lograr estos objetivos. "En este trabajo se describe un circuito que contiene un gen que codifica una molécula pequeña que puede difundirse entre las células y puede activar genes --señala el autor del artículo Omar Din, estudiante de bioingeniería del grupo de Hasty en la Escuela de Ingeniería Jacobs de la UCSD--. Una vez que la población crece a un tamaño crítico --unos pocos miles de células-- hay una concentración suficientemente alta de esa molécula presente en las células para causar la transcripción de masas de los genes detrás de la promotora".

La molécula, AHL, se conoce por coordinar la expresión de genes a través de una colonia de células bacterianas. Los genes dirigidos por la promotora también se activan, incluyendo el propio gen de la promotora AHL. Gracias a este bucle de retroalimentación positiva, cuanta más AHL se acumula, más se produce. Debido a que AHL es lo suficientemente pequeño para difundir entre las células y encender la promotora en las células vecinas, los genes activados por ella también se producen en grandes cantidades, dando lugar a un fenómeno conocido como percepción de quórum. Las bacterias utilizan percepción de quórum para comunicarse entre sí por el tamaño de su población y regular la expresión génica en consecuencia. Los científicos han utilizado esta capacidad natural de las bacterias ampliamente como una herramienta.

AUTODESTRUCCIÓN MASIVA DE LAS BACTERIAS

Din empleó la percepción de quórum como una herramienta de ingeniería para sincronizar las células y luego añadir un gen asesino que hace que las células se abran (lisis) cuando una colonia de bacterias crece a un umbral. Después del evento de auto-destrucción masiva, algunas células se mantienen para repoblar la colonia y la dinámica población resultante es cíclica. "El circuito de lisis se concibió originalmente para su uso como un biosensor acuático, pero posteriormente se hizo evidente que una aplicación interesante podría ser la liberación de fármacos cuando las bacterias se lisan in vivo", señala Hasty.

A continuación, los investigadores tuvieron que encontrar el medicamento correcto que administrara la bacteria. Se probaron tres proteínas terapéuticas diferentes que se había comprobado que reducía los tumores. Las pruebas mostraron que las proteínas eran más eficaces cuando se combinaban. Colocaron los genes responsables de estas proteínas en el circuito junto con el gen de lisis y después realizaron experimentos con células HeLa que mostraron suficiente producción de proteína para matar las células cancerosas.

El estudiante de bioingeniería de la Universidad de California San Diego Tal Danino realizó la prueba de terapia en ratones mientras era investigador postdoctoral en el equipo de investigación de Sangeeta Bhatia en el MIT.

Este experto inyectaron primero bacterias en ratones con un tumor subcutáneo injertado, un modelo murino que se emplea para visualizar la población bacteriana en vivo y observar su dinámica. El resultado fue una disminución en el tamaño del tumor. Entonces, empleó un modelo más avanzado de ratón con metástasis en el hígado, en el que se alimentó a los roedores con las bacterias.

Después de probar una combinación de las bacterias modificadas y la quimioterapia con este modelo, los investigadores encontraron que la terapia combinada alargó la supervivencia de los animales sólo mientras duraba la administración de la terapia. Los investigadores señalan que este nuevo enfoque aún no ha curado a ningún ratón, sino que llevó a un aumento de alrededor del 50 por ciento de la esperanza de vida, algo difícil de anticipar cómo se traduciría en los seres humanos.

Tomados en conjunto, los experimentos en ratones establecen una prueba de principio para el uso de herramientas de biología sintética para diseñar bacterias 'dirigidas al tumor' para suministrar proteínas terapéuticas in vivo.