Cómo la nanomedicina llega a tus células y te cura desde adentro hacia afuera

Los canadienses tragan millones de pastillas cada día para tratar problemas de salud comunes como la presión arterial alta, el colesterol alto y la diabetes tipo II, pero los científicos están trabajando a nivel molecular para convertir las células de los pacientes en farmacias.

La nanotecnología, donde los átomos y las moléculas se manipulan en una escala diminuta (mil millones de veces más pequeña que un metro), ya está incorporada en productos cotidianos como protector solar, ropa impermeable y teléfonos inteligentes.

En nanomedicina, se utiliza para estimular que el ARN produzca medicamentos basados ​​en proteínas para tratar enfermedades. Ahora podemos ajustar la producción de proteínas incrementándola o reduciéndola, creando una medicina personalizada a una escala invisible.

Producción de proteínas y salud.

El cuerpo humano es un instrumento preciso y su buen funcionamiento depende de un equilibrio de proteínas como la queratina, que crea la estructura del cabello y las uñas, y el colágeno, que le da a la piel fuerza y ​​elasticidad.

El factor VIII es una proteína de coagulación que actúa como un pegamento molecular en los sitios de las heridas, y si su cuerpo no produce suficiente cantidad (como las personas con hemofilia A), una lesión aparentemente menor puede causar un sangrado peligroso. Por el contrario, si se produce demasiada apolipoproteína C3 (ApoC3), se bloquea la descomposición de las grasas en la sangre llamadas triglicéridos, y estos niveles elevados de lípidos aumentan el riesgo de pancreatitis, enfermedades cardíacas y accidentes cerebrovasculares.

El cuerpo mantiene este delicado equilibrio de proteínas a través de un elegante sistema molecular, que la nanomedicina ahora está aprendiendo a controlar.

Immunity and Society, una nueva serie de The Conversation Canada en asociación con Bridge Research Consortium.

Immunity and Society es una nueva serie de The Conversation Canada que presenta nuevos descubrimientos de vacunas e innovaciones basadas en el sistema inmunológico que están cambiando la forma en que entendemos y protegemos la salud humana. A través de una asociación con Bridge Research Consortium, estos artículos, escritos por expertos canadienses en la vanguardia de la inmunología, la biofabricación, las ciencias sociales y las humanidades, exploran los últimos avances y sus impactos.

equilibrio de ARN

¿Cómo produce tu cuerpo las proteínas? Piense en sus células como fábricas, con el ADN como manual de instrucciones.

Para producir las proteínas que necesita, las células de su cuerpo actúan como fábricas, con el ADN como manual de instrucciones. Los planos están guardados de forma segura en el núcleo y las células no pueden producir nada directamente a partir del precioso original.

En cambio, cuando una célula necesita una proteína particular, hace una copia temporal del modelo, llamada ARN mensajero (ARNm). Esta única hebra de ácidos nucleicos lleva instrucciones al citoplasma, es decir, a la fábrica. Allí, máquinas moleculares llamadas ribosomas leen las instrucciones y convierten los aminoácidos en proteínas.

Este es el dogma central de la biología molecular: ADN → ARN → proteína.

Cuando el cuerpo necesita proteínas, hace copias del ARNm y las transfiere al citoplasma. El capataz de la fábrica es un mecanismo llamado interferencia de ARN, que garantiza que las proteínas no se produzcan en exceso o en defecto.

Por ejemplo, pequeñas moléculas de ARN de interferencia (ARNip) o de oligonucleótidos antisentido (ASO) pueden detener la producción de proteínas silenciando las instrucciones genéticas del ADN y escindiendo el ARNm objetivo. En ambos casos, el ARNm se degrada y se detiene la producción de proteínas, como presionar el botón de emergencia en una cinta rodante.

Convertir el ARN en medicamentos

¿Qué significa esto para el futuro tratamiento de la enfermedad? A diferencia de los fármacos de molécula pequeña, como los antibióticos, o los fármacos basados ​​en proteínas, como la insulina, los fármacos de ARN funcionan en sentido ascendente, en el nivel mismo de las instrucciones.

Como científicos en nanomedicina, utilizamos maquinaria celular para tratar enfermedades con fármacos de ARN aumentando o disminuyendo la producción de proteínas. ¿Quieres más proteínas saludables? Entregar más ARNm. ¿Quieres menos dañino? Utilice ARNip o ASO para silenciar el gen.

Imágenes de micrografía de fluorescencia que muestran células transfectadas con ARNm de GFP (proteína verde fluorescente) administrado con nanopartículas lipídicas. Paneles de izquierda a derecha: núcleo celular marcado con un tipo de tinte fluorescente; Señal de GFP debida a la expresión de ARNm dentro de las células; Una imagen de campo brillante como una imagen de células con “luz y sombra”. (Suiiang Liao), el autor proporcionó (sin reutilización) Enseñar a las células a producir lo que falta

Cuando el cuerpo humano carece de una proteína esencial, sobreviene la enfermedad. Con la hemofilia A, el problema radica en el plan. Una mutación en el ADN significa que el gen del factor VIII contiene errores, como un error tipográfico en una receta que requiere sal en lugar de azúcar. La célula sigue esta instrucción errónea y produce ARN mensajero que produce una proteína rota o ninguna.

Sin el factor VIII funcional, una simple hemorragia nasal puede durar horas, no minutos, y un pequeño bulto puede provocar un gran hematoma que tarda mucho en sanar. Incluso un corte menor puede provocar un sangrado prolongado.

Los científicos ahora pueden sintetizar ARNm en el laboratorio (por ejemplo, haciendo una copia correcta y sin errores de las instrucciones del factor VIII) y empaquetarlo en nanopartículas lipídicas, que son pequeñas burbujas protectoras de grasa.

Como científico de materiales en la UBC y trabajando con los investigadores Anna Blackney y Peter Cullis, diseño formulaciones de nanopartículas lipídicas. Cuando estas partículas se infunden por vía intravenosa, entregan ARNm sintético a las células del hígado, que luego leen las instrucciones y producen proteína de factor VIII nueva. La célula se convierte en su propia farmacia.

Silenciar a los pobres

La sobreexpresión de algunas proteínas también puede causar enfermedades, por ejemplo, en el síndrome de quilomicronemia familiar, donde el ARN mensajero produce demasiada apolipoproteína C3.

ApoC3 ayuda a regular el metabolismo de las grasas, pero en exceso bloquea la capacidad del cuerpo para eliminar los triglicéridos del torrente sanguíneo. Las instrucciones del manual de ADN pueden ser correctas, pero las pequeñas moléculas de ARN que interfieren no están haciendo su trabajo de mantener la producción bajo control. Como una cadena de montaje fuera de control, la grasa se acumula en la sangre. Si alcanza niveles peligrosos, puede causar pancreatitis aguda, una inflamación del páncreas dolorosa y potencialmente mortal.

La Administración de Alimentos y Medicamentos de EE. UU. y Health Canada aprobaron recientemente Plozasiran, un fármaco inyectable que trata el síndrome de quilomicronemia familiar mediante la administración de pequeños ARN de interferencia a las células del hígado.

Esta molécula de ARNip es una doble hebra corta de ácido nucleico que se despliega en dos hebras simples, una de las cuales complementa el ARNm de ApoC3, como una llave que cierra una cerradura. El evento de unión será reconocido por la maquinaria de empalme del ARNm de la célula. Sin ARNm significa que no hay producción de proteínas.

La misma tecnología ofrece diferentes palancas: el ARNm estimula la producción de proteínas útiles como el factor VIII; El ARNip silencia la producción de proteínas dañinas como ApoC3. Juntos, representan la nueva capacidad de la medicina para programar la biología, subiendo o bajando genes con tanta precisión como ajustando el volumen de un estéreo.