NARICES QUÍMICAS PARA EL DIAGNÓSTICO EFECTIVO DEL CÁNCER JESSICA ORREGO HERNÁNDEZ

Transcripción

1 NARICES QUÍMICAS PARA EL DIAGNÓSTICO EFECTIVO DEL CÁNCER JESSICA ORREGO HERNÁNDEZ

2 Fuente: Nanomedicina, Nanobiotix,

3 Narices químicas para el diagnóstico efectivo del cáncer *1 Muchos de los pacientes con cáncer solo conocen su diagnóstico cuando la enfermedad se encuentra localmente avanzada o metastásica, etapa en la que, por lo general, la tasa de supervivencia es baja. Alrededor del 50% de los casos se logran curar, pero a menudo vuelven a desarrollar un segundo cáncer primario. Por tal razón, es importante un seguimiento continuo de los pacientes que superan esta enfermedad. Jessica Orrego Hernández Estudiante de maestría en Química de la Universidad de los Andes, j.orrego117@uniandes.edu.co Actualmente, las técnicas empleadas para la detección del cáncer van desde análisis de rayos X, ultrasonografía, resonancia magnética de imagen y pruebas de laboratorio, hasta biopsias. Muchos de estos métodos de diagnóstico son dolorosos e incómodos para el paciente, pues son de carácter invasivo y es necesario el suministro de agentes de contraste que proporcionen mejor visibilidad del órgano afectado [1]. El desarrollo de dispositivos que permitan un diagnóstico rápido y seguro de cualquier tipo de cáncer es una prioridad, ya que posibilitarían mejorar la calidad de vida y la supervivencia de los pacientes. En la búsqueda de métodos eficientes y novedosos para la detección del cáncer, la naturaleza nos muestra cómo la habilidad olfativa de los perros sirve para la detección temprana de cáncer en humanos. Por medio de su nariz, los perros recogen compuestos químicos característicos de la enfermedad en cantidades muy bajas, provenientes del aliento o de la orina de la persona. En la fundación Pine Street, en el condado de Marín, California, se ha demostrado que algunos perros adiestrados de raza pastor alemán son capaces de identificar cáncer de mama y pulmón en sus primeras etapas, con al menos un 88% de precisión. Este mismo grupo de investigación está estudiando la detección de cáncer de ovario mediante el entrenamiento de dos perros labradores y tres perros de agua portugueses [2]. Del mismo modo, en la Universidad de París VI, Francia, se ha reportado un perro pastor belga que puede reconocer el olor del cáncer de próstata en la orina humana con una tasa de acierto del 91% [3]. Debido a la invaluable utilidad que representan las narices de los perros para diagnosticar el cáncer, y con el fin de imitar el funcionamiento de la nariz de estos animales, se han estudiado y desarrollado sistemas artificiales llamados narices químicas. Con ellos se busca detectar compuestos mediante la simulación de etapas del sistema olfativo animal, que incluyen el muestreo y filtrado de sustancias utilizando sensores bioquímicos con los que los compuestos que se quieren analizar pueden reaccionar; a esta etapa sigue otra de generación, amplifica- * La autora agradece al profesor Diego Alexánder Gamba Sánchez por su constante motivación en clase y por sus oportunos consejos durante la redacción de este artículo. 54 Hipótesis, Apuntes científicos uniandinos, núm. 14, mayo del 2013

4 Receptor olfativo Bulbo olfatorio Corteza olfativa Mucosa Placa cribiforme Comida contaminada? Cilios Nervio olfativo Muestra Especies bacterianas? Arreglo de sensores electrónicos Preprocesador Patrón de reconocimiento Figura 1. Narices químicas que imitan el sistema olfativo animal. El sensor simula las diferentes etapas del sistema olfativo animal, lo que da como resultado un eficiente reconocimiento de compuestos volátiles. Esto permite discriminar entre diferentes especies bacterianas. Fuente: [4] ción y tratamiento de la señal de respuesta del sensor, lo que da como resultado el reconocimiento de lo que se desea analizar (figura 1) [4]. Uno de los pasos clave para el buen funcionamiento de las narices químicas es el correcto diseño de la plataforma donde se lleva a cabo la detección, cuya superficie se encuentra cubierta por sensores bioquímicos que reaccionan ante los compuestos que se desea detectar. Es en este momento cuando ocurre la mayoría de los procesos biológicos de reconocimiento mediante interacciones específicas. No obstante, para simular procesos sensoriales reales, como sabor y olor, hay que tener en cuenta que la unión del sensor con los analitos debe ser de tipo diferencial o selectiva. La nariz humana no es específica al olor de una fruta particular, sino que es selectiva, pues ante un grupo de frutas podemos diferenciar cada una de ellas. Es así como deberían funcionar las narices químicas : tener la capacidad de identificar entre una célula sana y una cancerígena y distinguir a qué órgano o tejido corresponde. De esta forma, cuando los analitos entran en contacto con dicha plataforma sensorial, esta debe generar un patrón único de respuesta para cada compuesto tal como una huella digital, para que sea un detector con capacidad de analizar una gran variedad de sustancias. Una vez aclarado cómo debe ser el funcionamiento de las narices químicas, queda un interrogante: de qué material deben estar hechas las plataformas de detección? La respuesta la encontramos en las nanopartículas de oro (AuNP), que han sido ampliamente empleadas en bionanotecnología por sus propiedades únicas y por permitir una fácil funcionalización de su superficie. La capacidad de este material, de tamaño nanométrico, de unirse con una gran variedad de moléculas biológicas, como oligonucleótidos, anticuerpos, proteínas y lípidos, las hace promisorias para el diseño de nuevos sensores que puedan detectar el cáncer. Además, en un diagnóstico, la unión entre los compuestos que se van a estudiar y las nanopartículas de oro funcionalizadas puede alterar algunas de sus propiedades fisicoquímicas, como el comportamiento óptico o la conductividad, lo cual generaría una señal detectable [5]. Recientemente, Rotello y colaboradores desarrollaron una nariz química basada en nanopartículas de oro para la detección sensible y rápida, a nivel microscópico, de muchos tipos de células cancerígenas en su estado metastásico en tejidos vivos [6]. Este sensor consiste en un arreglo de nanopartículas de oro funcionalizadas que tienen unidas en su superficie unas proteínas llamadas green fluorescence proteins (GFP). Las proteínas Universidad de los Andes, Facultad de Ciencias 55

5 A) Lisado Arreglos de nanopartículas de oro-gfp Fluorescencia "OFF" Fluorescencia "ON" B) C) A B C D E F G Día 0 Día Día 66 Día 73 Generación de metástasis Figura 2. A) Ilustración esquemática de la modulación de la fluorescencia por la unión competitiva entre las proteínas GFP y las proteínas de las células cancerosas con las nanopartículas de oro. B) Modelo de un patrón de fluorescencia único (huella digital) para la célula estudiada. C) Imágenes de bioluminiscencia de un ratón para la producción y selección de células y tejidos cancerígenos que son utilizados en los ensayos de detección de la nariz química. En el día cero se inyecta en el torrente sanguíneo del ratón el gen que sirve para generar células cancerígenas, marcado con la proteína GFP, y en diferentes días se muestra la localización de cáncer adrenal, en ovario y huesos. Fuente: [6]. 56 Hipótesis, Apuntes científicos uniandinos, núm. 14, mayo del 2013

6 GFP normalmente emiten fluorescencia, pero cuando están interactuando con las nanopartículas de oro, esta fluorescencia desaparece. Se dice que en este estado el sensor se encuentra apagado. Cuando el sensor entra en contacto con células enfermas, estas, en cuestión de minutos, desplazan las proteínas GFP que se hallaban en la superficie de las nanopartículas de oro, y estas quedan completamente libres y, por lo tanto, la fluorescencia se activa. Se dice que en este estado el sensor se encuentra encendido (figura 2A). Esta nariz química genera un patrón de fluorescencia único para cada célula (figura 2B) y es capaz de diferenciar entre metástasis bajas y altas, así como de discernir entre las células tumorales de sitios específicos, como las del cáncer de mama, hígado, pulmón y próstata. Para probar el sensor se tomaron tejidos sanos y tumorales de un ratón (figura 2C), y las células cancerígenas fueron diferenciadas de los tejidos sanos en poco tiempo. El sistema proporciona, así, un medio rápido y muy general de detección e identificación de cáncer, con una sensibilidad impresionante, pues el sensor es eficiente en la discriminación de muestras con muy poca cantidad de tejido: tiene la capacidad de detectar alrededor de células provenientes del tejido por cada nanopartícula de oro presente en el sensor. Si se empleara en ensayos clínicos, solo se necesitarían 200 ng (0, g) de tejido, y para obtenerlos se practicaría una microbiopsia, que es una técnica mínimamente invasiva. Finalmente, la estrategia basada en una nariz química es una buena alternativa para la detección rápida y poco invasiva de una gran variedad de tipos de cáncer en tejidos u órganos humanos mediante la generación de un patrón único de fluorescencia ( huellas dactilares ) para cada célula en diferentes estados. Este tipo de sensores son prometedores para futuras aplicaciones clínicas, ya que el paciente, con una simple punción del tejido u órgano, con el fin de extraer una mínima cantidad de muestra, puede saber en cuestión de minutos si tiene o no algún tipo de cáncer. Referencias [1] gonzález M, Lacasta M, Ordóñez A. Valoración clínica en el paciente con cáncer. Buenos Aires: Editorial Médica Panamericana; [2] mcculloch M, Jezierski T, Broffman M, Hubbard A, Turner K, Janecki T. Diagnostic accuracy of canine scent detection in early and late stage lung and breast cancers. Integrative Cancer Therapies 2006; 5(1): [3] bjartell AS. Dogs sniffing urine: a future diagnostic tool or a way to identify new prostate cancer markers? European Urology 2010; 59(2): [4] turner AP, Magan N. Electronic noses and disease diagnostics. Nature Review Microbiology 2004; 2 (2): [5] Yeh YC, Creran B, Rotello VM. Gold nanoparticles: preparation, properties, and applications in bionanotechnology. Nanoscale 2012; 4(6): [6] rana S, Singla AK, Bajaj A, Elci SG, Miranda OR, Mout R et al. Array-based sensing of metastatic cells and tissues using nanoparticle-fluorescent protein conjugates. ACS Nano 2012; 6(9): Universidad de los Andes, Facultad de Ciencias 57