Nanoburbujas en la investigación oncológica

Hipoxia tumoral y aporte de oxígeno

Los investigadores han usado nanoburbujas de oxígeno para elevar los niveles de oxígeno en células tumorales hipóxicas y en tumores, un paso que se estudia como forma de superar la resistencia al tratamiento Khan et al., 2018; Song et al., 2020.

Por qué importa la hipoxia en los tumores

Los tumores sólidos de crecimiento rápido suelen superar su irrigación sanguínea. Sus vasos son irregulares y permeables, y partes del tumor quedan con una grave falta de oxígeno (hipoxia). Esta hipoxia hace que los tumores sean más difíciles de tratar. La radioterapia depende del oxígeno para "fijar" el daño en el ADN causado por los radicales libres; sin oxígeno, buena parte de ese daño puede repararse y las células sobreviven. La hipoxia también enlentece la división celular, lo que reduce el efecto de las quimioterapias dirigidas a las células en división, y favorece tipos celulares más agresivos, con mayor probabilidad de diseminarse Khan et al., 2018; Song et al., 2020.

HIF-1α y nanoburbujas de oxígeno en estudios celulares

Con poco oxígeno, la proteína factor inducible por hipoxia 1-alfa (HIF-1α) se estabiliza, se desplaza al núcleo y activa genes vinculados con la supervivencia celular, la formación de nuevos vasos sanguíneos (angiogénesis) y la diseminación (metástasis). Cuando vuelve el oxígeno, el HIF-1α se modifica (se hidroxila) y se degrada.

Khan et al. prepararon nanoburbujas de oxígeno con cubierta lipídica por sonicación y las ensayaron en células de cáncer de mama MDA-MB-231 en condiciones de hipoxia. A medida que se liberaba el oxígeno, el oxígeno intracelular aumentó y el HIF-1α se hidroxiló y se degradó. Los investigadores informaron una reducción significativa de la expresión de HIF-1α y una caída equivalente de los marcadores fluorescentes asociados a la hipoxia (Image-iT) Khan et al., 2018. Revertir la hipoxia de este modo es la vía propuesta para que las células respondan mejor al tratamiento.

Aporte de oxígeno in vivo

Song et al. usaron vesículas de gas biogénicas recubiertas de lípidos (lipid-GV) para transportar oxígeno. Tras la inyección en la vena de la cola, los niveles de oxihemoglobina en tumores subcutáneos aumentaron en 15 minutos, y los investigadores informaron que la hipoxia tumoral se atenuó y que las vías posteriores del HIF-1α se regularon a la baja Song et al., 2020.

Nanoburbujas como transportadoras de fármacos y genes

Los estudios de laboratorio y las revisiones describen las nanoburbujas como transportadoras de fármacos y de material genético, con una cubierta que protege la carga Cavalli et al., 2015; Jin et al., 2022.

Cavalli et al. desarrollaron nanoburbujas con cubierta de quitosano y núcleo de perfluoropentano, a veces llamadas nanogotas. Las cargaron con un corticoide, el fosfato de prednisolona, o las acoplaron a un agente de contraste para resonancia magnética, el Gd-DOTP. La cubierta polimérica protege la carga de la degradación. Las partículas de este tamaño pueden salir del torrente sanguíneo a través de los vasos tumorales permeables, un mecanismo conocido como efecto de permeabilidad y retención aumentadas (EPR, por sus siglas en inglés) Cavalli et al., 2015.

Las revisiones también describen las nanoburbujas como transportadoras no virales de material genético, como ARNpi (siRNA) y ADN plasmídico. La cubierta puede proteger ese material de las enzimas de la sangre, y las burbujas pueden dirigirse a tejidos específicos Jin et al., 2022; Wu et al., 2021. Se trata de descripciones de un campo de investigación a nivel de revisión, no de resultados de un único estudio controlado.

Liberación activada por ultrasonido y sonoporación

En trabajos de laboratorio, el ultrasonido aumentó la liberación de fármacos desde las nanoburbujas y se usó para abrir poros transitorios en las membranas celulares Cavalli et al., 2015; Chang et al., 2016. El enfoque se conoce como destrucción de microburbujas dirigida por ultrasonido (UTMD, por sus siglas en inglés).

La idea es liberar el fármaco donde se necesita. Una vez que las burbujas se han concentrado en un tumor, el ultrasonido focalizado las hace oscilar y luego colapsar (cavitación inercial). El colapso produce microchorros y ondas de choque que alteran las membranas celulares cercanas y abren poros transitorios, un proceso llamado sonoporación.

Esta liberación a demanda se estudia como forma de aumentar la captación de fármacos como la doxorrubicina o el paclitaxel, que atraviesan con dificultad las membranas celulares y la barrera hematoencefálica. Cavalli et al. mostraron que la estimulación con ultrasonido de las nanoburbujas de quitosano aumentó notablemente la velocidad de liberación del fármaco en comparación con muestras sin estimular. El objetivo es lograr una concentración local alta del fármaco con menor exposición en el resto del cuerpo Cavalli et al., 2015; Chang et al., 2016. Las pruebas de liberación de Cavalli et al. se realizaron in vitro, por lo que no podían demostrar una menor toxicidad sistémica.

Imagen y liberación combinadas

Como el núcleo gaseoso refleja con fuerza el ultrasonido, las nanoburbujas son ecogénicas y pueden actuar como agentes de contraste ecográfico. Los investigadores han combinado esta propiedad con la carga de fármacos o de oxígeno en diseños "teranósticos", que buscan obtener imágenes y tratar con la misma partícula Song et al., 2020; Cavalli et al., 2015.

Song et al. usaron sus vesículas de gas recubiertas de lípidos para ambas funciones. Sus propiedades acústicas dieron imágenes ecográficas de alto contraste para localizar el tumor y seguir su perfusión. También transportaron oxígeno para apoyar la terapia fotodinámica (TFD), que usa la luz para generar ERO (especies reactivas de oxígeno) en el tumor. Con las vesículas cargadas de oxígeno, la generación de ERO bajo irradiación láser aumentó y el crecimiento tumoral se inhibió más que con la TFD sola Song et al., 2020.

Cavalli et al. mostraron que las nanoburbujas de quitosano cargadas con Gd-DOTP, un agente de contraste a base de gadolinio, podían visualizarse por resonancia magnética (RM) y, al mismo tiempo, responder al ultrasonido como transportadoras de fármacos. Los autores lo presentaron como una vía para el seguimiento con más de un método de imagen Cavalli et al., 2015.