Dr. Nanotecnología vs.Cáncer

Si se encuentra entre el tercio de la población que algún día desarrollará cáncer, su cuerpo contendrá señales de advertencia mucho antes de que su médico pueda diagnosticar la enfermedad. Si estas señales sutiles en sus células y su torrente sanguíneo solo pudieran detectarse antes, tendría muchas más posibilidades de sobrevivir. El problema es que los cambios que marcan las primeras etapas del cáncer son notablemente complejos y, a menudo, leves, incluso a nivel molecular.

Pero James Heath, químico físico del Instituto de Tecnología de California, cree que la nanotecnología podría finalmente proporcionar la solución a este enigma molecular. Heath está apostando a que los bancos de cables de silicio ultrapequeños, cada uno hecho para detectar una proteína específica relacionada con el cáncer, podrían detectar incluso los cambios más sutiles en la química de nuestro cuerpo. Los nanosensores que Heath y sus compañeros de trabajo de Caltech están desarrollando buscarán simultáneamente cientos o incluso miles de biomoléculas diferentes en, digamos, una gota de sangre. Si funcionan, estos nanosensores podrían ser la base para las pruebas de cáncer que no solo son más precisas sino que, debido a que no involucran muestras de tejido y análisis de laboratorio, son más baratas y convenientes que las que están disponibles ahora.

Esta historia fue parte de nuestro número de febrero de 2005

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Eso no dice mucho, por supuesto. La detección de la mayoría de los cánceres sigue siendo primitiva, a menudo implica exámenes físicos simples para encontrar evidencia de crecimiento tumoral o métodos de imágenes burdos como mamografías y radiografías. Existen análisis de sangre para algunos cánceres, como el de próstata y el de ovario, pero su desempeño es lamentable; no solo son lentos y costosos, sino que son notoriamente poco confiables. Para diagnosticar el cáncer de próstata, por ejemplo, los médicos buscan una proteína llamada PSA (antígeno prostático específico) en la sangre. Pero solo entre el 25 y el 30 por ciento de los hombres que pasan por el proceso inmensamente estresante de someterse a biopsias de tejido debido a los altos niveles de PSA en la sangre en realidad tienen cáncer de próstata. El PSA siempre está en la próstata, señala Heath, y se filtra a la sangre en pequeñas cantidades todo el tiempo. Cuando hay algún tipo de trauma en la próstata, que podría ser cáncer u otra cosa, se filtra en mayores cantidades. Pero es un marcador muy pobre para el cáncer de próstata en etapa temprana, ya que realmente no hay mucho trauma en la próstata en esa etapa.

Una prueba de cáncer más precisa reflejaría mejor la complejidad de los eventos biomoleculares. La ambición de Heath es construir dispositivos que no solo puedan realizar múltiples mediciones a la vez, a partir de una gota de sangre o unas pocas células extraídas de un tejido en particular, sino que también detecten cantidades extremadamente pequeñas de biomoléculas. Estamos tratando de desarrollar una prueba basada en pinchazos en el dedo, explica. Nos gustaría que esta prueba eventualmente fuera algo análogo a lo que se usa para los diabéticos. Los diabéticos ahora pueden controlar sus niveles de glucosa y, como pueden hacerlo de forma regular, toman el control de la enfermedad. Nos gustaría desarrollar una plataforma habilitadora similar para el cáncer.

Armando el rompecabezas
La investigación del cáncer puede parecer un lugar poco probable para que James Heath haya terminado. Como estudiante de posgrado en Rice University en Houston a principios de la década de 1980, comenzó a estudiar las propiedades de pequeños trozos de materiales. Formó parte del equipo que, en 1985, descubrió la molécula de carbono C60 con forma de balón de fútbol; el descubrimiento le valió al profesor de Heath, Richard Smalley, un premio Nobel 11 años después y ayudó a impulsar el interés actual por la nanotecnología. Pero Heath luego cambió su enfoque a los semiconductores, como el silicio, utilizados por la industria de la microelectrónica, buscando formas de convertirlos en dispositivos cada vez más pequeños. Recientemente, él y sus colaboradores de la Universidad de California en Santa Bárbara idearon un método para fabricar cables de silicio de unos pocos nanómetros de ancho, unas diez veces más pequeños que las características más pequeñas de los circuitos integrados actuales.

El avance fue un hito en la continua miniaturización de la electrónica. Y, dice Heath, esperábamos que al resolver un problema tan difícil, se presentaran otras oportunidades. Lo hicieron: Heath se dio cuenta de que estos nanocables también podrían servir como biosensores ultrasensibles.

Sin embargo, también se dio cuenta de que incorporar nanocables en una herramienta de diagnóstico eficaz no sería fácil. Los cambios en el estado de salud de una persona se reflejan en cambios bruscos en las concentraciones de biomoléculas a medida que se encienden y apagan diferentes genes. Pero durante los últimos años, los genetistas y biólogos moleculares se han dado cuenta de que los genes no suelen actuar de forma independiente. Tienden a operar en grupos y redes, y pueden regular la expresión de los demás. Por lo tanto, comprender las huellas moleculares de las enfermedades requiere una comprensión a nivel de sistemas de cómo funcionan juntos los genes y las proteínas.

Ahí es donde entra el colaborador de Heath, Leroy Hood, fundador del Instituto de Biología de Sistemas en Seattle. Los biólogos de sistemas miran la célula de la misma manera que un ingeniero eléctrico mira un circuito complejo: como un sistema altamente interconectado de componentes que se encienden entre sí. y señales de apagado y relé. Los sensores de Heath pueden proporcionar miles de pistas sobre el estado de salud de una persona, pero el enfoque de biología de sistemas de Hood es necesario para juntar todos esos bits de información en una imagen coherente.

Hood y su equipo, por ejemplo, han analizado cómo se expresan los genes para producir proteínas en las células y tejidos afectados por el cáncer de próstata. Nuestra idea, dice Hood, es que la diferencia entre las células normales y las enfermas es que las redes reguladoras de proteínas y genes en las células enfermas han sido perturbadas, y estas perturbaciones de la enfermedad se reflejan en patrones alterados de expresión de proteínas controlados por las redes. Una fracción de estas proteínas perturbadas encontrará su camino hacia la sangre y constituirá huellas digitales moleculares que son diagnósticas no solo de salud y enfermedad, sino de qué enfermedad y qué tipo de enfermedad en particular. (Hay al menos tres tipos diferentes de cáncer de próstata, por ejemplo).

Hemos identificado 300 genes [marcadores de cáncer] que se expresan de forma única en la próstata, dice Hood, y predecimos que alrededor de 62 de estos pueden secretarse en la sangre. Probamos uno de estos produciendo anticuerpos contra él y demostramos que solo estaba presente en la sangre de pacientes con cáncer de próstata. El equipo de Hood ahora está probando cinco proteínas secretadas por cáncer de próstata más. También ha encontrado una variedad similar de genes que deberían ser diagnósticos de cáncer de ovario.

Una situación fluida
¿Cómo sería exactamente un nanosensor para detectar tales proteínas? Para convertir un nanocable en un transistor, los investigadores ponen en contacto cada uno de sus extremos con cables metálicos para que pueda pasar una corriente a través de él. Luego colocan un electrodo cerca del nanoalambre. La carga de este electrodo altera la conductividad del nanoalambre y lo enciende y apaga, todo lo cual es familiar para cualquier ingeniero eléctrico.

Heath luego transforma sus transistores de nanocables en pequeños biosensores. Digamos, por ejemplo, que un nanoalambre debe actuar como sensor para una proteína en particular. Los investigadores recubren la superficie del cable con anticuerpos que se adhieren a la proteína objetivo pero no a otras moléculas. Cuando las proteínas se unen a los anticuerpos, interactúan con los electrones que viajan en la capa superficial del nanoalambre, alterando su conductividad. Si el cable tiene solo unos pocos nanómetros de grosor, hay un cambio significativo, y medible, en su conductividad general. Si el cable es muy, muy pequeño, dice Heath, en lugar de ponerle voltaje, podemos ponerle moléculas, y un evento químico es lo que hace que el transistor cambie.

Su pequeño tamaño también hace que los dispositivos sean muy sensibles. En última instancia, el número de moléculas necesarias para producir una lectura dependerá de la fuerza con que se unan a los grupos receptores en la superficie del sensor; pero podría ser posible detectar moléculas individuales. Heath dice que, aunque su grupo aún no ha alcanzado ese nivel de sensibilidad, ha logrado detectar solo unas pocas moléculas. (Charles Lieber, de la Universidad de Harvard, mientras tanto, ha demostrado nanosensores que pueden detectar una sola partícula viral *).

Pero Heath no solo confía en la alta sensibilidad para una detección fácil y temprana de enfermedades. Podemos fabricar miles de estos sensores en un área muy pequeña, dice. Esto significa la capacidad de analizar los variados contenidos moleculares de las células individuales. Heath está colaborando con el experto en microfluidos de la Universidad de Stanford, Stephen Quake, para fabricar chips en los que los fluidos bombeados por canales microscópicos transportan células individuales a su posición sobre una matriz de nanosensores, donde se pueden estudiar una por una.

Al final, toda esta tecnología tiene que integrarse en un dispositivo que se pueda utilizar en la clínica, lo que significa resolver problemas aún más técnicos y prácticos. En 2003, el Instituto de Biología de Sistemas, Caltech y la Universidad de California, Los Ángeles, establecieron la Alianza de Biología NanoSystems para garantizar que las nuevas herramientas reflejen los últimos avances en biología e inmunología del cáncer. El diagnóstico de cáncer y otras enfermedades, dice Quake, se llevará a cabo automáticamente, en unos pocos segundos o minutos, en solo un puñado de células o su contenido. Y esa conjetura, predice, se convertirá en realidad dentro de esta década.

El último libro de Philip Ball se llama Masa crítica: cómo una cosa conduce a otra .

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