"Bio-nanojeringas" bacterianas de diseño pueden facilitar la administración de medicamentos en células humanas específicas

Un grupo de investigadores ha utilizado pequeños sistemas de inyección bacteriana para inyectar una amplia variedad de proteínas en células humanas y de ratones vivos.

Publicado originalmente por Rohini Subrahmanyam, PhD, el 20 de abril de 2023 

Los medicamentos sofisticados y efectivos para tratar enfermedades y otras afecciones pierden eficiencia si no pueden alcanzar la parte del cuerpo o las células específicas para las que están diseñados. Sin embargo, los científicos han encontrado una nueva forma de administrar proteínas diminutas en células específicas, utilizando pequeñas estructuras similares a jeringas que se encuentran naturalmente en ciertas bacterias. El estudio, publicado en Nature el 29 de marzo, podría conducir a mejores sistemas de administración de medicamentos en medicina.

"La entrega de medicamentos sigue siendo un cuello de botella crítico en la medicina", explicaba el coautor del estudio e investigador del MIT Joseph Kreitz. "Aunque se han desarrollado muchas terapias nuevas y poderosas en las últimas décadas, se necesitan vehículos para hacer llegar estas terapias a las células correctas del cuerpo".

En el estudio, Kreitz, el investigador del Instituto Broad Feng Zhang y el resto de su equipo se inspiraron en la naturaleza, confiando en pequeños microbios que han encontrado una manera de resolver este problema. Las bacterias endosimbióticas, que dependen de las células de su huésped para sobrevivir, han desarrollado herramientas como el sistema de inyección contráctil extracelular (eCIS), en el que las bacterias utilizan pequeñas nanomáquinas similares a jeringas para inyectar cargas útiles de proteínas en sus células huésped. Las células huésped, en el caso de la bacteria Photorhabdus asymbiotica, son las células que recubren el intestino de los nematodos. En el nuevo estudio, Zhang y su equipo rediseñaron estas llamadas nanojeringas de Photorhabdus para apuntar y administrar una amplia variedad de proteínas en células humanas y animales.

Los investigadores confirmaron primero que los casetes de virulencia de Photorhabdus (PVC) podrían entregar proteínas no nativas en las células huésped. Utilizaron el sistema Cre-loxP para estos experimentos, en el que la expresión de GFP en las células huésped fue impedida por un codón STOP, flanqueado por la secuencia loxP. Al agregar Cre recombinasa, la enzima reconoció los sitios loxP y extirpó el codón STOP. Por lo tanto, la expresión activa de GFP sirvió como un indicador de la entrega exitosa de Cre en las células.

Pero el verdadero desafío estaba por delante: usar PVC para atacar células humanas o de ratón, células muy diferentes de las células huésped de insectos a las que se sabía que se dirigían los PVC. Esto se vio agravado por el hecho de que los científicos ni siquiera estaban seguros de cómo reconocen los PVC las células de insectos en primer lugar. Sin embargo, lo que sí se sabía es que estos PVC se asemejan a las estructuras utilizadas por los bacteriófagos, virus que usan colas contráctiles para inyectar su material genético en las bacterias.

"Sospechamos que los PVC reconocían las células a través de pequeños filamentos de proteínas llamados fibras de cola, pero inicialmente no estaba claro cómo tendríamos que modificar estas fibras de cola para alterar la especificidad objetivo de este sistema", dijo Kreitz.

Usando AlphaFold, la poderosa plataforma de IA (Intelifencia Artificial) que puede predecir la estructura 3D de una proteína a partir de su secuencia de aminoácidos, el equipo pudo modelar la fibra de cola del PVC para comprender mejor cómo se une a su receptor objetivo. Luego, los investigadores rediseñaron las fibras de cola de PVC para reconocer específicamente un receptor en las células de adenocarcinoma de pulmón humano. Usando las fibras de cola rediseñadas, pudieron cargar diferentes tipos de proteínas en estas células in vitro: las proteínas tóxicas nativas de las bacterias, que mataron las células, y las Cre no nativas, que convirtieron las células en verdes. Ahora tenían una herramienta de entrega que podía, específica y efectivamente, microinyectar proteínas en células humanas.

"Puedo imaginar que la naturaleza programable de este enfoque puede ser útil para lograr mejoras en la selección del objetivo o del tejido en el futuro", dijo a The Scientist Angela Koehler, investigadora del MIT que no participó en este estudio.

A continuación, los investigadores probaron la capacidad del sistema para entregar componentes de edición del genoma CRISPR a las células objetivo in vitro. Si bien la tecnología CRISPR ha sido ampliamente adoptada para la investigación terapéutica, la administración dirigida sigue siendo un desafío importante en el campo. "Seguimos ampliando esta caja de herramientas de modalidades de entrega; tenemos una caja de herramientas de máquinas de edición del genoma, tipos de moléculas para entregar, y ahora estamos expandiendo la caja de herramientas la entrega en sí misma", declaraba a The Scientist Rodolphe Barrangou, investigador que trabaja con CRISPR en la Universidad Estatal de Carolina del Norte que no participó en este estudio.

El equipo pudo inyectar la proteína Cas9, una nucleasa involucrada en la edición de genes mediada por CRISPR, en células humanas que expresan un ARN guía, para editar efectivamente el genoma en esas células humanas. Los PVC con fibras de cola modificadas eran muy específicos para sus receptores diana, una característica clave que puede ser explotada en sus futuras aplicaciones como una terapia potencial contra células cancerosas.

"Estamos entusiasmados con las posibilidades que estos sistemas ofrecen para futuras aplicaciones", dijo Kreitz. "Por ejemplo, debido a que los PVC pueden entregar proteínas, en contraste con los sistemas de administración basados en ADN o ARN, que entregan planos para la construcción de proteínas, podrían proporcionarnos un mayor control de la dosis y la vida media de una terapia dentro de las células".

Como prueba final de la eficacia del nuevo sistema, Kreitz y sus colegas utilizaron los PVC para inyectar proteínas de forma segura y exitosa en el cerebro de un ratón vivo, después de modificar la fibra de la cola para reconocer los receptores en una célula de ratón. Nuevamente utilizaron el sistema Cre-Lox y confirmaron que las proteínas no nativas entregadas por PVC realizan su función correctamente in vivo. Además, la inyección no condujo a ninguna respuesta inmune significativa y los PVC no se quedaron en el cerebro del ratón durante más de una semana después de la inyección, lo que se suma a la lista de características que respaldan el uso de esta herramienta como una posible terapéutica en el futuro.

Los investigadores ya están involucrados en la comercialización potencial de esta tecnología. Según el documento, Kreitz y Zhang figuran como coinventores en una solicitud de patente provisional presentada en Estados Unidos por el Instituto Broad y titulada "Sistema de inyección contráctil de orientación específica de tipo celular". Zhang es asesor científico y cofundador de Editas Medicine, Beam Therapeutics, Pairwise Plants, Arbor Biotechnologies y Aera Therapeutics. Zhang también es asesor científico de Octant.

"Estamos interesados en comprender mejor sus propiedades inmunogénicas, la penetración de tejidos y la localización de órganos", dijo Kreitz. "El uso eventual de PVC en terapias humanas requerirá un mayor desarrollo preclínico y estudios clínicos rigurosos, regulados por la FDA, para garantizar que este sistema sea seguro y eficaz".

"Es una gran prueba de concepto", dijo Barrangou. "Ilustrando el potencial de esta tecnología con la edición del genoma, ‘in vivo’ en las neuronas, hay razones para estar emocionado. Es un área de interés futuro, un área de gran potencial terapéutico y un área de gran dificultad técnica".

Se podrían utilizar estos PVC como una herramienta de administración de fármacos para tratar enfermedades humanas en el futuro. En la actualidad, son una herramienta programable de entrega de proteínas que se puede modificar para dirigirse a una gran variedad de células de diferentes organismos, que van desde insectos hasta humanos.

"Es muy difícil entregar cargas útiles a las neuronas y al tejido cerebral, y poder hacer eso, creo, es un comienzo muy alentador, aunque esté en las primeras etapas", dijo Barrangou.

Artículo original