Nanorrobots biológicos

He elegido inaugurar el Laboratorio del Imaginante con este tema porque reúne al mismo tiempo algunos de los campos punteros de la ciencia que vamos a tratar aquí: la genética, que está suponiendo una revolución; la biotecnología; la nanotecnología y, por supuesto, la convergencia de todo esto en los seres humanos, para los que va a cambiar la vida de una manera ostensible.

Un nanómetro es la millonésima parte de un milímetro. La nanotecnología trabaja en la escala de los átomos, las moléculas. El famoso grafeno es una lámina de carbono de un sólo átomo de espesor, y un nanotubo de carbono sería una de estas láminas enrollada (ya veremos estos nanotubos cuando hablemos de interfaces cerebro-máquina). Los nanorrobots según vamos a verlos hoy, serían máquinas que trabajan a una escala molecular.

La relación de esto con la medicina de vanguardia empieza a tener sentido gracias a la incorporación de nuevas investigaciones. Todo empezó con el famoso Proyecto Genoma Humano, con el que se secuenció el genoma. Después, hemos ido sabiendo qué partes de ese genoma corresponden a genes, qué función realizan y cómo se controlan y se interrelacionan con los demás.

Y también, con cuales de ellos hay una relación clara entre mutaciones y enfermedades graves.

El laboratorio...

Por ejemplo, el estudio de las mutaciones de los cánceres. Los investigadores han encontrado puntos en común entre todos los enfermos. En concreto, se trata de 138 genes que podríamos llamar críticos. Un tumor estándar tiene entre 2 y 8 de estos genes mutados. Puede haber más, pero estos son los que importan.

Con esta información pueden establecerse protocolos de detección temprana, así como terapias especificas según la mutación (ojo que esta previsión no derive en una especie de Gattaca o Un mundo feliz, donde la potencialidad que indica la genética se asume como una certeza inamovible. Hay interacciones entre genes, influencia del ambiente en la expresión o no de dichos genes, y en el estado final del organismo -alimentación, ejercicio, exposición a sustancias nocivas o radiaciones, etc...-. No todo está determinado).

Este conocimiento y otros avances paralelos está permitiendo a los investigadores una nueva clase de tratamientos que podríamos llamar “de francotirador”, frente a las bombas atómicas actuales. Imaginemos por ejemplo un tratamiento corriente de quimioterapia contra el cáncer. Se inyectan unos fármacos que se distribuyen a través del sistema circulatorio por todo el cuerpo, unos fármacos que suelen actuar atacando a los tejidos con una alta tasa de división celular, como los tumores, pero que también afecta a partes sanas del organismo como las mucosas, el pelo, o la médula ósea: de ahí los temidos efectos secundarios que debilitan enormemente a los pacientes.

Y ahora la alternativa: un pequeño dispositivo, al que podríamos llamar nanorrobot, y en cuyo interior acumulamos una cierta cantidad de fármaco. Un fármaco, además, que podría haberse diseñado específicamente para luchar contra ese tumor concreto, caracterizado con un estudio individualizado. Pues bien, este dispositivo iría por la sangre, como antes, pero lleva unos marcadores específicos en su superficie para que solo se una a las células del tumor. A ellas y a ninguna otra. Sería un pequeño ejército corriendo por el interior de nuestro cuerpo, yendo a la caza. Y entones, una vez que encontrasen a las células tumorales y se uniesen a ellas, inyectaría la toxina en su interior. Pues bien, esto ya existe. Al menos en laboratorio.

Habría posibilidad de hacer nanorrobots biológicos teleridigidos, que utilizarían, por ejemplo, flagelos como los de las bacterias para moverse, y que podrían guiarse mediante campos magnéticos para los que serían sensibles –también se han hecho experimentos exitosos con elementos inertes llenas de fármaco y de partículas magnéticas, que se han llevado hasta el órgano de destino utilizando campos magnéticos. Como mover limaduras de hierro con un imán-. Los que estamos viendo se mueven transportados por la sangre y se autodirigen porque solo se unen a las células para las que están diseñados. Pueden aplicarse también en la zona con microcirugía.

También hay nanodispositivos mecánicos, pero vamos a hablar sobre todo de los biológicos: las proteínas (y el ADN como estructura) como partes móviles y activables

Un ejemplo son las partículas construidas sobre una plataforma proteica de nanoporfirinas.[1] Componen una especie de bolsa en cuyo interior se guarda el fármaco. Estas nanoporfirinas pueden usarse también en la terapia fototérmica: se unen a las células que queremos y luego convierten la luz –suele usarse la infrarroja- en calor dentro de los tumores, para así matar sus células. También se han usado nanoesferas de oro recubiertas de anticuerpos específicos para unirse a las células del tumor.

Otro ejemplo: nanorrobots de ADN (nubot, nucleic acid robot) en los que se ensamblan anticuerpos y marcadores fluorescentes para señalar la presencia de células determinadas.

Estos son interesantes porque realizan un pequeño proceso de computación: solo liberan su carga si determinan que la célula reúne ciertos requisitos. Pueden acoplarse a la vez varios de estos dispositivos moleculares, para minimizar los efectos secundarios aumentando la especificidad. La célula objetivo tiene que tener todos los marcadores. Así no se afectan a células parecidas pero sanas.

Se lanzan cada uno de los dispositivos, y cuando en una célula coinciden todos, se autoensamblan y producen una reacción en cadena que es lo que se traduce en el tratamiento. Exponen por ejemplo el anticuerpo para que el sistema inmune destruya la célula, o bien provocan en esta un proceso de suicidio.

Uno de los problemas de los nanorrobots es que sean destruidos por el propio sistema inmune, que no sabe que tiene delante a unos mercenarios aliados: se usan a veces envueltas inspiradas en las de algunos virus para eludirlo. Y también para llevar las proteínas de reconocimiento.

Una novedad prometedora son los virus oncolíticos, virus modificados –como el adenovirus del catarro- para proliferar solo en las células cancerosas, a las que destruirían en el proceso.

También pueden usarse los nanorrobots como vectores para terapia génica in vivo. Este ya me gusta más porque le da una vuelta de tuerca.  Aquí es donde enlazamos con lo del Genoma Humano que vimos al principio.

Imaginemos cualquier enfermedad basada en un defecto genético. Yo puedo usar el sistema anterior para llevar un fármaco adecuado a las células del órgano dañado. Imaginemos una proteína que interviene en una ruta metabólica y que está ausente.

Pero, ¿por qué suministrarle permanentemente un medicamento a un órgano enfermo cuando podríamos inyectarle una versión sana del gen que tiene mal?

Esto de sustituir in vivo genes enfermos por genes sanos, que es muy difícil, ya se ha conseguido hacer con ratones en el Hospital Infantil de Filadelfia. Curaron a ratones enfermos de hemofilia B inoculándoles copias correctas del gen que tenían defectuoso. In vitro se había conseguido cosas similares. Luego había que reintroducir en el paciente estas células modificadas. Es muy difícil conseguir que se inserten los genes sólo en las células diana... y eso se ha conseguido gracias a los vectores, que podemos verlos perfectamente como nanorrobots biológicos y partían de virus que se habían modificado para poder llevar la carga que los investigadores quisieran.

Estaban diseñados para entrar sólo en las células del hígado en las que se forman los factores de coagulación. Unos de los vectores llevaría unas enzimas diseñadas ad hoc para cortar el gen defectuoso, y otros llevarían copias correctas del gen para ocupar su lugar en la cadena de ADN.

...del imaginante:

Si las investigaciones actuales ya vemos que van tan avanzadas, ¿qué podríamos imaginar para el futuro? Pues muchas cosas fantásticas.

En primer lugar, nanorrobots como anticuerpos de diseño para marcar células cancerosas y que el propio sistema inmune destruya a los tumores. Es decir, acabaríamos con el cáncer consiguiendo que el propio cuerpo terminase con él y lo limpiase.

Esto normalmente se hace, el sistema inmune reconoce y destruye a las células que se han salido de madre, pero en ocasiones estas consiguen camuflarse y van escapando a todos los sistemas de control y deriva en un tumor. El sistema inmune se queda ciego ante él. Ya no sabe a donde lanzar sus misiles –que los tiene; los linfocitos T son como un enjambre de misiles Patriot-.

Con estos nanodispositivos diseñados según cada caso podríamos marcar las células cancerosas. Sería como los misiles dirigidos por láser. Y en este caso el láser sería el nanorrobot. Es decir, por un lado serían capaces de reconocer los disfraces de las células cancerosas y unirse a ellas. Y entonces enviarían una señal para que los linfocitos del sistema inmune fueran allí y las destruyeran.

Nanorrobots como vectores para introducir no versiones sanas de genes enfermos, sino “genes milagrosos”, como los de los deportistas de élite para sustituir a nuestros genes “corrientes”. Quizá pueda obtener el efecto transitorio de estos genes con una inyección de nanorrobots que lleven esas proteínas milagrosas a los músculos, o al cerebro, o a la sangre, y logren ese efecto por un tiempo limitado: “Superfuerza para el combate de mañana”. Pero ya que estamos pagando por ello, mejor introducir el gen de manera definitiva.

Fuerza muscular explosiva: polimorfismo R577X en el gen de la alfa-actinina-3.

Resistencia a la fatiga: variante 1 del gen ACE.

La eficacia del trasporte de oxígeno de un esquiador de fondo o de un ciclista: variantes selectas del gen EPOR, receptor de la eritropoyetina con el que poder llevar hasta un 50% más de oxígeno en la sangre.

Hay más de doscientos genes identificados que afectan a la potencia, a la explosividad, a la resistencia de los deportistas.

Y también podríamos seleccionar las variantes genéticas responsables de tener un sistema inmunológico hiperdesarrollado, o una visión absolutamente perfecta, o buscar variantes que facilitasen la creación de un ambiente cerebral superdotado que facilitase la transmisión de impulsos nerviosos o la creación de nuevas conexiones entre neuronas.

Esto podría usarse en medicina, claro, pero también, por ejemplo, para fabricar “supersoldados”, o para moldear una nueva raza de millonarios que no solo estarían más morenos y vivirían mejor, sino que además podrían mejorarse genéticamente.

Pero, ¿y si pudiésemos utilizar la técnica anterior para hacer humanos transgénicos, con genes de otras especies en algunos de nuestros tejidos? –o llevando al menos a esos tejidos las proteínas ultra potentes de otros seres vivos no humanos-.

Por ejemplo, conseguir que nos broten extremidades perdidas utilizando un tratamiento que integrase los genes que usan los lagartos para regenerar sus colas cuando son cortadas. Se ha estudiado al lagarto Anolis carolinensis, que es quizá el más cercano al hombre de los que tienen esta capacidad. Se ha visto que se activan unos 326 genes en su proceso reconstructivo.

O mejor aún con los ajolotes, que pueden regenerar además de las extremidades el corazón, la retina y el hígado.

O hasta unos pequeños gusanos, que son capaces de regenerar la cabeza cuando se les corta, ¡y con los recuerdos dentro!  Bien es cierto que su sistema nervioso no tiene mucho que ver con el nuestro, pero la idea es fascinante..

Con los nanorrobts se podrían llevar estos genes y el resto de “ingredientes” sólo a los tejidos necesarios, y activar su liberación da una manera totalmente controlada.

Parece que incluso si tuviéramos un accidente terrible y quedásemos destrozados, si los médicos pudieran mantener vivos nuestros tejidos con máquinas y demás, podrían después llegar a regenerarnos por completo.

Y luego está ya la biología sintética, en la que ahondaremos otro día. Baste decir que, hoy por hoy, puede crearse un gen que no esté presente en al naturaleza tecleando su secuencia en un ordenador, y después apretando un botón y obtenerlo, en forma de molécula, en un tubito. Genes que realizarían funciones nuevas, que de forma natural no se han  producido... porque no había necesidad. Hasta ahora. Porque una de las vías más alucinantes de la ciencia actual, que también veremos próximamente en el Laboratorio del Imaginante, es la fusión del hombre con las máquinas. Una fusión física, tejido con metal, incluso cerebro con computadoras cognitivas. Se está trabajando mucho en estas conexiones, sobre todo desde el punto de vista de las máquinas, tratando de acoplarlas de la mejor manera posible a las estructuras biológicas. Por ejemplo con nanotubos de carbono capaces de unirse a una sola neurona. Pero, ¿y si pudiésemos avanzar también desde el otro lado? ¿Y si pudiésemos crear estructuras biológicas con terminales, por ejemplo, capaces de interactuar eficazmente con prótesis robóticas, quizá con todo un cuerpo robótico? Ya no sería sólo que las máquinas pudieran leer nuestras instrucciones biológicas, sino conseguir que nuestros cuerpos llegasen a hablar un lenguaje común.

De ser así, estaríamos en disposición de trascender la naturaleza de nuestros cuerpos y emprender un nuevo camino evolutivo que ya no sería sólo biológico. Quién sabe, ya hablaremos de ello con más tiempo otro día, pero incluso nuestra consciencia podría tener en el futuro un soporte no biológico.

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[1] Esta nueva molécula mide entre 20 y 30 nanómetros (un nanómetro equivale a la mil millonésima parte de un metro). Se trata de un grupo de moléculas (o micela) colocadas de forma que su extremo hidrofílico (que es atraído por el agua) apunta hacia dentro y el hidrofóbico (que es repelido por el agua) apunta hacia fuera. ® La parte hidrofóbica se debe fusionar de algún modo a la membrana para evacuar el fármaco en el interior.

Cada una de ellas contiene porfirinas, unos compuestos orgánicos presentes en el cuerpo de forma natural, por ejemplo en la hemoglobina, dentro del componente que da a la sangre su color rojo. En su versión nanométrica, las nanoporfirinas tienen la ventaja de que pueden entrar en las células tumorales