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Nuevas nanopartículas fluorescentes para ver lo invisible a los ojos

Investigadores del grupo Nanomol del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB-CSIC), de la red CIBER-BBN y de la ICTS Nanbiosis U6, y miembros de la red TECNIO de transferencia de tecnología de ACCIÓ-Generalitat de Catalunya, junto con el New Jersey Institute of Technology (NJIT, USA) y la Universidad de Parma (UNIPR, Italia) han desarrollado un nuevo nanomaterial para bioimagen. Los resultados del estudio son fruto del proyecto TECNIOspring PLUS cofinanciado por ACCIÓ y la Comisión Europea.

Es cierto que es muy difícil entender qué pasa en nuestro organismo si somos incapaces de visualizarlo. Por ejemplo, en la actualidad sabemos que las células tumorales tienen la capacidad de crecer sin control gracias a diversas técnicas microscópicas que nos han permitido ampliarlas hasta tal punto, que hemos sido capaces de ver perfectamente cada célulula. El diseño de microscopios y la ingeniería óptica y electrónica que hay detrás ha avanzando muy rápidamente en los últimos años. De hecho, el premio Nobel de Química de 2014 se otorgó a los investigadores Eric Betzig, William E. Moerner y Stefan Hell, por el desarrollo de microscopía de fluorescencia de super-resolución. Estos avances han permitido ver incluso lo que hay en el interior de las células, llegando a la escala nanométrica con mucha resolución.

Ahora bien, ¿qué ocurre cuando no somos capaces de ver lo que buscamos? Es aquí donde entran en juego las sondas fluorescentes, moléculas que proporcionan una señal: emiten luz a cierta longitud de onda una vez son excitadas. Estas sondas deben cumplir una serie de requisitos, entre los que destacan: tener una luminosidad o brillo elevada, ser totalmente biocompatibles, y tener una alta fotoestabilidad y una alta dispersabilidad en medios fisiológicos.

El grupo Nanomol ha desarrollado unas nuevas sondas fluorescentes, en concreto nanopartículas orgánicas fluorescentes (FONs, por sus iniciales en inglés). Estas nuevas FONs se basan en Quatsomes (QSs), unas nanovesícules producidas por el mismo grupo a través de una tecnología sostenible (Delos-susp, Nanomol Technologies SL), las cuales están cargadas con fluoróforos o moléculas fluorescentes – en concreto dos tipos de carbocianinas. Las nanopartículas tienen un diámetro medio de 120 nm y han demostrado una buena biocompatibilidad y una elevada estabilidad, tanto en el tiempo como una vez expuestas a irradiación láser de alta potencia.

“Es especialmente relevante la luminosidad que se ha conseguido: estas nuevas nanovesículas fluorescentes son unas 100 veces más brillantes que otras nanopartículas fluorescentes comerciales, como por ejemplo los Quantum Dots, permitiendo así la adquisición de imágenes de alta calidad” explica Judit Morla-Folch, investigadora postdoctoral del grupo Nanomol en el ICMAB y primera autora del estudio, publicado en la revista ACS Appl. Mater. Interfaces. Además, estas nanopartículas tienen otra singularidad, y es que experimentan transferencia de energía de resonancia de Förster, habitualmente abreviado como FRET por sus siglas en inglés. Este fenómeno permite mejorar la adquisición de imágenes ya que se reduce significativamente la autoabsorción y, por tanto, el ruido de fondo durante la adquisición de la bioimagen. Además, el efecto FRET permite monitorizar la integridad de la nanopartícula, una gran ventaja para aplicaciones biomédicas donde es necesario saber cuando la nanovesícula se mantiene entera o se desintegra.

En conjunto, las nanopartículas orgánicas fluorescentes (FONs) desarrollados por el grupo Nanomol del ICMAB-CSIC en colaboración con el NJIT (USA) y la UNIPR (Italia) constituyen una prometedora plataforma para bioimagen y para el diseño de kits de diagnóstico médico.

Artículo de referencia: Dye-Loaded Quatsomes Exhibiting FRET as Nanoprobes for Bioimaging Judit Morla-Folch, Guillem Vargas-Nadal, Tinghan Zhao, Cristina Sissa, Antonio Ardizzone, Siarhei Kurhuzenkau, Mariana Köber, Mehrun Uddin, Anna Painelli, Jaume Veciana, Kevin D. Belfield, and Nora Ventosa ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 18, 20253–20262 DOI: 10.1021/acsami.0c03040

 

Investigadores del IBEC hallan una nueva forma de transportar eficazmente fármacos al cerebro

Un grupo internacional de investigadores liderados por la profesora ICREA Silvia Muro del Instituto de Bioingeniería de Catalunya (IBEC) y la Universidad de Maryland (Estados Unidos) ha identificado una nueva forma de transportar fármacos al cerebro, uno de los grandes desafíos de la ciencia farmacéutica actual, lo que podría ayudar a diseñar nuevos tratamientos para enfermedades neurológicas tales como el Parkinson o el Alzheimer.

Para la elaboración del trabajo, publicado esta semana en la prestigiosa revista Journal of Controlled Release, los expertos unieron un anticuerpo capaz de reconocer la proteína ICAM-1 –una molécula expresada en la superficie de los vasos sanguíneos- a una serie de nanopartículas poliméricas que pueden transportar un fármaco e inyectarlo por vía intravenosa.

Al poco tiempo tras su administración en ratones de laboratorio, las nanopartículas recubiertas con este anticuerpo habían conseguido llegar al cerebro atravesando la barrera hematoencefálica, que separa el torrente sanguíneo de este tejido y se caracteriza por tener una permeabilidad altamente selectiva.

La barrera hematoencefálica actúa de manera eficaz al proteger al cerebro de patógenos y sustancias toxicas que puedan circular en la sangre, lo que hace que las enfermedades que afectan al cerebro sean difíciles de tratar, pues el 98% de los fármacos no pueden cruzarla. En cambio, substancias naturales como nutrientes, hormonas y células del sistema inmune sí pueden atravesarla y entrar al cerebro desde el flujo sanguíneo.

La estrategia diseñada por el grupo de la Dra. Muro para superar esta barrera se basa precisamente en el uso de ICAM-1, que es una de las dianas usadas por las células del sistema inmune para atravesar esta barrera.

Según apuntan los investigadores del IBEC y la Universidad de Maryland, se trata de un hallazgo muy significativo, pues podría ayudar a optimizar la liberación de fármacos a través del endotelio, que es el tejido que recubre la parte interna de los vasos sanguíneos. De esta forma, los fármacos podrían penetrar eficazmente la barrera hematoencefálica y entrar al cerebro.

“En este trabajo demostramos como esta estrategia ayuda a transportar al cerebro de animales de experimentación un fármaco que no puede pasar por sí mismo a este órgano, lo que podría ofrecer un nuevo tratamiento para la enfermedad de Niemann-Pick tipo A, un síndrome neurodegenerativo congénito e incurable, sin tratamiento actual, expone Silvia Muro, la autora principal del trabajo.

En este sentido, la experta añade que “siguiendo esta misma estrategia, el sistema podría adaptarse para liberar otros fármacos y ayudar a pacientes de otras enfermedades que afectan al cerebro, como el Alzheimer, Parkinson, meningitis o glioblastoma”. De hecho, la investigadora está inmersa en otro proyecto del IBEC cuyo objetivo es obtener nuevos anticuerpos para avanzar esta estrategia hacia la clínica.

La Profesora Silvia Muro se incorporó al IBEC a finales de 2017 para liderar el grupo ‘Targeted Therapeutics and Nanodevices’, que investiga cómo diseñar nanotransportadores cargados con medicamentos que pueden usar las rutas naturales de transporte en el organismo para tratar enfermedades neurodegenerativas, cardiovasculares, metabólicas o el cáncer.


Artículo de referencia: Rachel L.Manthe, Maximilian Loeck, Tridib Bhowmick, Melani Solomon, Silvia Muro. «Intertwined mechanisms define transport of anti-ICAM nanocarriers across the endothelium and brain delivery of a therapeutic enzyme». Journal of Controlled Release, August 2020. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2020.05.009 

Fuente: IBEC

Introducen chips como sensores mecánicos dentro de óvulos para medir las primeras fases de desarrollo

Científicos del CSIC, en el Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM), y de la Universidad de Bath crean e introducen estos dispositivos en óvulos. El chip funciona como sensor mecánico y es extremadamente minúsculo: tiene una longitud tres veces más pequeña que el diámetro de un cabello humano y un grosor tres veces menor que el de un virus como el SARS-CoV-2.  El trabajo, publicado en Nature Materials, mide las fuerzas que reorganizan el interior del óvulo desde que se introduce el espermatozoide hasta que el embrión se divide en dos células.

Un equipo científico liderado por científicos del CSIC en el Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM) ha fabricado e introducido chips dentro de células vivas, para detectar los cambios mecánicos que se producen en las etapas tempranas del desarrollo. El chip funciona como sensor mecánico y es extremadamente minúsculo: mide apenas 22 por 10,5 micrómetros y tiene un grosor de 25 nanómetros. Tiene una longitud 3 veces más pequeña que el diámetro de un cabello humano, y un grosor tres veces menor que el de un virus como el SARS-CoV-2.

El trabajo está coliderado por José Antonio Plaza, investigador del CSIC en el IMB-CNM, donde dirige Grupo de Micro y Nanoherramientas. Los dispositivos han sido fabricados en la Sala Blanca del IMB-CNM. La investigación, que acaba de ser publicada en la revista Nature Materials, se ha realizado integramente con financiación pública del Plan Nacional de I+D+i.

Etapas tempranas de la fertilización

Los científicos han inyectado el chip junto con un espermatozoide en el interior de un óvulo de ratón, para estudiar las etapas tempranas de la fertilización. Lo han hecho en el Laboratorio de Embriología Molecular de Mamíferos de la Universidad de Bath (Reino Unido), el equipo dirigido por Anthony C. F. Perry, que co-dirige el trabajo junto a Plaza.

Con el chip dentro, han podido medir las fuerzas que reorganizan el interior del óvulo, es decir, su citoplasma, desde que se introduce el espermatozoide hasta que se divide en dos células. “Haciendo un símil con el baile, el embrión realiza una coreografía de movimientos durante su desarrollo y hemos visto que no sólo el movimiento es importante sino también la intensidad del mismo”, comenta José Antonio Plaza.

¿Cómo se realiza esa medida? “Nosotros vemos a través de microscopia cómo el chip se dobla en el interior de la célula”, explica J.A Plaza. “Dado que conocemos perfectamente qué fuerza hay que aplicar para que se doble el dispositivo de una determinada manera, y lo hemos modelizado, visualizar la curvatura nos permite inferir qué fuerzas mecánicas se están dando en el interior de la célula”.

La investigación, que se explica en este VIDEO,  es novedosa porque la detección de estas fuerzas se ha realizado de manera directa, esto es, desde el interior del embrión y a lo largo de todo el proceso inicial de fertilización. “Casi todos los trabajos realizados hasta la fecha usan herramientas externas, obteniendo una medida indirecta y si lo hacen desde el interior es de una forma muy local y no describen la reorganización del citoplasma”, explica Marta Duch, primera autora del artículo.

Los dispositivos (en la imagen) se han fabricado en la Sala Blanca del IMB-CNM del CSIC. (Fuente: CSIC-IMB-CNM)

Así, los científicos han hecho una medida preliminar de las fuerzas que se obtienen en la reprogramación del ADN del espermatozoide, algo que sucede justo tras la inyección del espermatozoide. “Y, aunque es muy difícil de comparar, hemos visto que estas fuerzas son mayores que las que otros grupos han medido en células musculares”, explica José Antonio Plaza.

También han observado que el efecto de la membrana del embrión, que es más rígida que su interior, es la responsable de que los pronúcleos (núcleos que transportan el material genético de la hembra y del macho) converjan en el centro del embrión para fusionarse. Durante la fusión, no han detectado fuerzas. Esto podría ser así, dicen los científicos, porque de esa forma se facilita la reorganización de los cromosomas.

La siguiente etapa es la división de la primera celula en dos. Aquí, los científicos han visto cambios en la rigidez del citoplasma. “En este momento, nuestros chips revelan que el citoplasma se hace más rígido, hecho que facilitaría la transmisión de las fuerzas dentro del embrión para conseguir elongarse”. Esta elongación es necesaria para la posterior división en dos células. Después, en el momento en que la célula se divide en dos, el citoplasma es menos rígido, posiblemente para facilitar la división.

Este trabajo de investigación básica es un trabajo conceptual, un “proof of concept”, que demuestra la viabilidad de este sensor mecánico en el interior de una célula. Se sabe que las fuerzas mecánicas que se dan en la célula tienen importantes implicaciones biológicas, pero no era algo que se hubiera podido medir durante todo el proceso inicial de fertilización hasta la fecha y de forma detallada.

También, otra gran contribución del trabajo es el estudio fundamental de los primeros estadios del proceso de fertilización. En este sentido, se ha comprobado en este trabajo que la mecánica del embrión de ratón en su fase inicial es similar a la mecánica de los embriones humanos. Por tanto, este trabajo puede tener interés futuro para medicina de fertilización, pero también para el estudio de enfermedades relacionadas con algún problema de malformación en los procesos iniciales de formación del embrión.

En el estudio también han participado el Departamento de Electrónica y Tecnología de Computadores de la Universidad de Granada y el Departamento de Mecánica de Fluidos de la Universitat Politècnica de Catalunya.


Material adicionalVídeo – Chips como sensores mecánicos dentro de óvulos para medir las primeras fases de desarrollo

Artículo de referencia: Marta Duch, Núria Torras, Maki Asami, Toru Suzuki, María Isabel Arjona, Rodrigo Gómez-Martínez, Matthew D. VerMilye, Robert Castilla, José Antonio Plaza & Anthony C. F. Perry. Tracking intracellular forces and mechanical property changes in mouse one-cell embryo development. Nature Materials.

Fuente: CSIC (IMB-CNM)

Foto1: Uno de los chips en un óvulo. Imagen: IMB-CNM-CSIC / Universidad de Bath

 

Mesa Redonda Smart Health

11de junio 2020

11h-13h

Smart Health: afrontando los desafíos de la salud del siglo XXI

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Smart Health se refiere al desarrollo de soluciones inteligentes para mejorar el manejo de la salud. Se espera que los productos y servicios de Smart Health conduzcan a una atención médica más rápida, mejor y más personalizada con mejores resultados de salud y un mejor bienestar. Los desarrollos digitales y biotecnológicos en áreas como análisis de datos de salud, inteligencia artificial, computación en la nube, dispositivos móviles y portátiles, tecnología de sensores, robótica, realidad aumentada y virtual, biología sintética, impresión 3D y nanotecnología impulsan la cadena de valor de Smart Health.

Esta jornada, coorganizada por la Plataforma Española de Empresas de Tecnología Sanitaria (FENIN) y la de Nanomedicina (Nanomed Spain), quiere explorar este nuevo campo, que será sin duda de gran importancia en el futuro de la medicina.

PARTICIPANTES

Luis Pareras · Invivo Captial – El futuro de la medicina

José Perez · UPM – Tecnologías híbridas en Medicina

Javier de Oca · Iomed – Uso de procesamiento de lenguaje en investigación clínica

Francesc Mitjans · Leitat – Tecnologías para la mejora de la salud

Carmen Ruiz-Villar · AEMPS – Regulación: barrera u oportunidad

INSCRIPCIÓN A LA JORNADA

Maria José Alonso, miembro del comité coordinador de Nanomed Spain opina sobre la vacuna para combatir la COVID19

La investigadora forma parte de un proyecto consorciado, trabaja en un nanovehículo que llevará ARN a las células para que el propio organismo produzca el antígeno

María José Alonso, retratada este martes en las instalaciones del CiMUS, en Santiago - MIGUEL MUÑIZ (Fuente: ABC)
«Llevamos un mes trabajando sin saber lo que es un fin de semana ni un día de vacaciones», relata la catedrática de Farmacia María José Alonso, investigadora principal en el CiMUS de la Universidad de Santiago de Compostela e integrante de la Academia Nacional de Medicina de Estados Unidos. Al frente de un laboratorio que ha sido pionero en hallazgos en tecnología farmacéutica y nanomedicina, ahora se ha embarcado con su equipo en la búsqueda de una vacuna para frenar el Covid-19. Un esfuerzo conjunto, consorciado, que lidera el IDIBAPS catalán y en el que colaboran también el Centro Nacional de Biotecnología (CSIC), la Universidad Pompeu Fabra, la Universidad de Barcelona, el Instituto de Recerca Biomédica de Barcelona y la Universidad libre de Bruselas; y está financiado por la Generalitat de Catalunya y el Instituto de Salud Carlos III. ¿Qué tipo de vacuna persiguen y cuál es su contribución? Es la última tendencia en vacunas. Se basan en que, en lugar de administrar el antígeno al paciente, administramos el ARN mensajero, que contiene la información genética para que nuestro organismo produzca la vacuna, el antígeno. Para que eso ocurra, ese ARN mensajero tiene que entrar en las células del organismo. Nosotros lo que hacemos es empaquetar ese ARN mensajero, incluirlo en un nanovehículo que, tras su inyección, lo va a transportar al interior de la célula y allí le transmite la información genética para que produzca el antígeno, frente al cual el organismo va a reaccionar con una respuesta inmune. ¿Cuál es la ventaja? Las ventajas que se le presumen a este tipo de vacunas es que la producción masiva es relativamente sencilla y previsiblemente van a dar lugar a respuestas duraderas. ¿En qué consiste el nanovehículo? Unos «partners» están enfrascados en diseñar el ARN, que se hace con inteligencia artificial y simulación computacional. Como no tenemos el ARN de verdad, utilizamos un ARN modelo. Estamos diseñando nanopartículas que puedan ser fabricables a más escala, que sean estables y que tengan unas características adecuadas para la internalización en las células y la liberación del ARN. El vehículo está constituido por ARN, lípidos y proteínas. Es como si hiciésemos una especie de virus artificial. ¿Con qué horizonte trabajan? Contamos que de aquí a seis meses podamos saber un poco la respuesta en animales, la preclínica. A partir de ahí, tomar la decisión de si hacemos el salto de escala y los ensayos clínicos. Hay una intensa carrera en todo el mundo por anticiparse con la vacuna. Ser los primeros tendrá premio. ¿Cómo se conjuga esta premura con procesos tan complejos? Es una carrera de fondo. El mensaje del Ministerio de Sanidad es que compartamos la información, lo cual me parece muy acertado. Que estemos al corriente unos de lo que hacen otros, e intentar avanzar lo más rápido posible. Quizás no haya un premiado, sino que haya varios. Quizás no haya un ganador, sino que haya varios ganadores. Eso sería lo más probable. En estos momentos hay lanzadas múltiples líneas de investigación. Sí, incluso en Galicia hay tres prototipos de vacuna. En Barcelona al menos hay tres, en Madrid también hay varios. Son de diferente dimensión y aproximación pero el esfuerzo es muy grande. En España, en particular, se está esforzando la gente muchísimo. Lejos de estorbarse, discurren en paralelo hacia un objetivo común. Desde luego, estorbarnos, no. Que colaboremos más o menos, va a depender de los grupos. En mi afán está el compartir información y colaborar lo más que pueda. Lógicamente, consideran que su investigación es prometedora. Los que lo presentamos, este consorcio, llevamos trabajando ya varios años en otra vacuna también de tipo ARN, para el Sida. No partimos de la nada, sino que somos un consorcio que además estamos acostumbrados a trabajar conjuntamente. ¿Cuándo cree que dispondremos de la ansiada vacuna? Basándonos en el esfuerzo a nivel multinacional, pensando que tenemos más de 100 prototipos de vacunas en ensayos preclínicos y una docena en ensayos clínicos, quiero ser positiva; quiero pensar que en el plazo de un año, un año y medio la podamos tener. Para este invierno lo dudo mucho. Sería una lotería. Es posible pero sería algo bastante excepcional. Los chinos van ya en fase 2, hay que pasar a la fase 3. Quizás si en la fase 3, de desarrollo, el personal sanitario y algunos grupos de riesgo puedan empezar ya a probar la vacuna y a inmunizarse, sería un gran paso. Quizás haya algo para este invierno, pero no de forma masiva, para todo el mundo. ¿Siente que ha sido necesaria la pandemia para que la sociedad acuda a ustedes en busca de un salvavidas? Todos los Gobiernos están invirtiendo muchísimo en ciencia y creo que es una buena llamada al mundo, y en particular a nuestro país. A veces todavía oímos a gente en la calle que dice: «Ya investigan otros». Claro, si ya investigan otros nos encontramos con problema de este tipo. Estoy satisfecha con la actitud del Ministerio, que ha sacado muy rápidamente una convocatoria. Nos están ofreciendo todo su apoyo, tanto el Ministerio como la Agencia de Evaluación de Medicamentos. Espero que, efectivamente, esto tenga una consecuencia en la apuesta de España por la investigación, que se ha visto tan denostada en la última década. Es cuestión de muchos años de no recibir la atención necesaria. Ese cambio de actitud también se nota a pie de calle. Ahora los españoles nos damos cuenta de que los científicos están teniendo un papel importante. Necesitamos el personal médico, por supuesto, pero los científicos también están ahí. Llevamos un mes trabajando sin saber lo que es un fin de semana ni un día de vacaciones. Es así como nos lo hemos tomado. Estamos aquí para resolver los grandes problemas de la humanidad y esta es una ocasión de demostrar nuestro esfuerzo y nuestro conocimiento como no lo he vivido en mi vida, en mis 40 años de profesión y en mis 30 años de trayectoria investigadora. ¿Se percibe el nivel de expectativa en la sociedad o es posible abstraerse? Creo que la gente ha empezado a darse cuenta de que ahora, con el confinamiento, hemos llegado a una situación mejor. Se sabe la sensibilidad del virus a la temperatura. Es probable que en los próximos meses estemos relativamente tranquilos. Pero también existe el temor a que el problema vuelva a surgir en otoño. Las enfermedades infecciosas se combaten fundamentalmente con vacunas. Los tratamientos antivirales son muy bienvenidos, pero qué duda cabe de que, a largo plazo, lo que se busca es tener una vacuna para combatir todas las enfermedades infecciosas. Llegará tarde o temprano. Usted no pierde la esperanza. No hay que perder la esperanza. Creo que hay que mantenerse positivo. Mientras no exista la vacuna, cumplir a rajatabla, incluso más allá, las normas que nos da el Gobierno.
Fuente: ABC