ARRIBA: Bacterias (rosa) se acercan a la división de células de cáncer colorrectal (azul) en esta micrografía de electrones de barrido de color falso.©SCIENCE PHOTO LIBRARY, STEVE GSCHMEISSNER
En la película de 1966 Fantastic Voyage, un equipo de científicos se reduce para caber en un pequeño submarino para que puedan navegar por la vasculatura de su colega y librarlo de un coágulo de sangre mortal en su cerebro. Esta película clásica es uno de los muchos viajes biológicos imaginativos que han llegado a la pantalla grande en las últimas décadas. Al mismo tiempo, los científicos han estado trabajando para hacer realidad una visión similar: pequeños robots vagando por el cuerpo humano para detectar y tratar enfermedades.
Aunque los sistemas con nanomotores y computación a bordo para navegación autónoma siguen siendo forraje para la ficción, los investigadores han diseñado y construido una multitud de sistemas a micro y nanoescala para aplicaciones diagnósticas y terapéuticas, especialmente en el contexto del cáncer, que podrían considerarse prototipos tempranos de nanorobots. Desde 1995, más de 50 nanofármacos, básicamente algún tipo de dispositivo a nanoescala que incorpora un medicamento, han sido aprobados por la Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos. Si una droga de esta clase posee una o más características robóticas, como detección, computación a bordo, navegación o una forma de alimentarse a sí misma, los científicos pueden llamarlo nanorobot. Podría ser un nanovehículo que transporta un medicamento, navega o se agrega preferentemente a un sitio tumoral, y se abre para liberar un medicamento solo en un determinado desencadenante. El primer nanofarmacéutico aprobado fue DOXIL, una nanosell liposomal que lleva el fármaco quimioterapéutico doxorrubicina, que mata células de forma no selectiva y se usa comúnmente para tratar una variedad de cánceres. Las nanohélulas administradas por vía intravenosa se acumulan preferentemente en los tumores, gracias a una vasculatura con fugas y un drenaje inadecuado por parte del sistema linfático. Allí, las nanopartículas liberan lentamente el fármaco con el tiempo. En ese sentido, las formas básicas de nanorobots ya están en uso clínico.
La navegación precisa a los sitios tumorales sigue siendo un santo grial de la investigación y el desarrollo de nanorobots.
Los científicos pueden manipular la forma, el tamaño y la composición de las nanopartículas para mejorar la orientación del tumor, y los sistemas más nuevos emplean estrategias que reconocen específicamente las células cancerosas. Aún así, la navegación precisa a los sitios tumorales sigue siendo un santo grial de la investigación y el desarrollo de nanorobots. Un metaanálisis de 2016 que evaluó la eficiencia de los vehículos de nanodejamiento probados en estudios con animales en los últimos 10 años reveló que una mediana de menos del 1 por ciento de los nanovehículos inyectados realmente llegó al sitio del tumor, y que esto solo se podía mejorar marginalmente con mecanismos de orientación activos, como la decoración de la superficie con anticuerpos específicos o péptidos para la unión a receptores específicos del tumor.
¿Cómo podemos hacer que estos nanobots se dirijan mejor a los sitios tumorales? La transmisión inalámbrica de energía sigue siendo un gran desafío, y las baterías aún no son eficientes a escala nanométrica. Los investigadores han utilizado fuerzas externas, como el ultrasonido o los campos magnéticos, para promover el envío de nanomedicamentos a los tejidos tumorales, pero la dinámica de fluidos del sistema circulatorio funciona contra los nanohuttles, cuya relación superficie-volumen es 1 mil millones de veces la de los objetos a escala de metros. Esto hace que las fuerzas de superficie y arrastre se vuelvan más dominantes: para la nanopartícula, puede sentirse como moverse a través de la miel cuando navega por el entorno acuoso de la vasculatura.
Pero, como suele ocurrir, la naturaleza podría tener una solución: las bacterias. Los organismos microscópicos nadan de forma autónoma a través de fluidos, impulsados por motores moleculares que hacen girar sus cilios o flagelos en forma de sacacorchos, un mecanismo de propulsión muy efectivo a esta escala que ha inspirado a muchos nanorobóticos que intentan imitar esta funcionalidad. Los investigadores han fabricado nadadores magnéticos helicoidales que pueden ser girados hacia adelante por un campo magnético giratorio, por ejemplo. Pero las bacterias, especialmente en el contexto del tratamiento del cáncer, son más que simples modelos a seguir para una natación eficiente; algunos son en realidad terapéuticos. Además, los microbios pueden detectar señales bioquímicas y ajustar sus trayectorias en consecuencia, de manera similar a la computación a bordo prevista.
La idea de usar bacterias para tratar el cáncer no es nueva. Uno de los primeros informes sobre las bacterias como terapia contra el cáncer proviene del pionero de la inmunoterapia William Coley, quien a finales del siglo XIX reconoció que algunos pacientes con cáncer que también sufrían infecciones de la piel tenían más probabilidades de mejorar. Comenzó a inyectar toxinas bacterianas, microbios inactivados por calor o incluso cultivos vivos de bacterias estreptocócicas en sus pacientes con cánceres de huesos y tejidos blandos inoperables, a menudo llevando a remisiones. Fue un enfoque audaz, dado el riesgo de infecciones incontrolables de estas formulaciones bacterianas antes de la disponibilidad generalizada de antibióticos. En gran parte debido a ese peligro, y la promesa de los conceptos nacientes de radiación y quimioterapia, el uso clínico de bacterias como agentes terapéuticos para el cáncer no se desarrolló. Hoy, esta idea revolucionaria ha experimentado un renacimiento.
Gracias a la convergencia de campos de la biología y la química a la ciencia de los materiales, la ingeniería y la informática, se están abriendo nuevas vías para el desarrollo de terapias bacterianas para el cáncer. Los kits de herramientas disponibles gracias a los costos reducidos de secuenciación y síntesis de ADN, junto con enfoques de biología sintética para el diseño genético personalizado de comportamientos similares a las bacterias, están allanando el camino para los campos emergentes de la micro y la nanorrobótica.
Un historial de Nanoingeniería y Terapia Bacteriana
Los nanorobots diseñados que pueden vagar por el interior del cuerpo para detectar y tratar tumores han sido una visión durante el último medio siglo, y la idea de usar bacterias para combatir el cáncer es incluso más antigua que eso. Los investigadores han llegado a comprender que algunas bacterias poseen de forma innata algunos rasgos de un nanorobot: pueden buscar tumores de forma autónoma y tienen cargas útiles fácilmente tóxicas que pueden matar las células cancerosas. Al combinar bacterias con enfoques clásicos en robótica e ingeniería para el control y la orientación externos, los investigadores pueden ahora convertir en realidad la idea, una vez ficticia, de un nanorrobot que combate el cáncer, y el robot está vivo.
Bacterias con cargas útiles anticancerígenas
Bacilo Calmette-Guérin (BCG), una bacteria atenuada que se usa típicamente como cepa vacunal para la tuberculosis, se ha reutilizado durante las últimas décadas para tratar localmente el cáncer de vejiga. El concepto detrás de este enfoque, similar al postulado por Coley, es que la administración de bacterias estimula el sistema inmunitario del paciente para combatir el cáncer.
Aún mejor, aunque Coley no lo sepa, muchas bacterias (aunque, por razones desconocidas, no BCG) también tienen el potencial de crecer selectivamente dentro de tumores sólidos, en la vejiga y en otros lugares; la vigilancia inmunitaria reducida en el entorno hipóxico y ácido del tumor proporciona a las bacterias anaeróbicas un refugio seguro para crecer y prosperar. Mientras están dentro de los tumores, algunas bacterias producen toxinas y compiten con las células cancerosas por nutrientes. En última instancia, la acumulación de bacterias dentro del tumor induce la infiltración de células inmunitarias, que luego puede conducir a respuestas anticancerígenas. Sin embargo, a pesar de haber probado muchas cepas bacterianas naturales y de laboratorio en modelos animales de cáncer, y de haber realizado ensayos en humanos para probar bacterias para tratar el cáncer, los investigadores han observado poca eficacia más allá de los beneficios que se siguen viendo en pacientes con cáncer de vejiga.
Como resultado, el campo ha cambiado a la ingeniería genética de bacterias para servir como transbordadores para cargas útiles recombinantes. La focalización selectiva y el crecimiento posterior de bacterias en los tumores, junto con la administración local de terapias facilitadas por los propios microbios, podrían minimizar el daño colateral a las células sanas que es común con las terapias sistémicas para el cáncer. Varios grupos han diseñado bacterias para producir una amplia variedad de cargas, incluidas toxinas anticancerígenas, citocinas y factores inductores de apoptosis. La producción de carga terapéutica potencialmente tóxica requiere un mayor control sobre las bacterias, en caso de que aterricen en lugares que no deberían. Por lo tanto, los investigadores ahora se están moviendo hacia la ingeniería de sistemas bacterianos de próxima generación para detectar una señal fisiológica y responder produciendo una terapéutica en el sitio local de la enfermedad.
Para ayudar en este objetivo, en las últimas dos décadas, el campo de la biología sintética ha desarrollado un repertorio de circuitos genéticos para controlar los comportamientos microbianos. Estos circuitos consisten en motivos de retroalimentación positiva y negativa para modular funciones celulares dinámicas, que actúan como interruptores de palanca, osciladores, contadores, biosensores y grabadores, herramientas que los investigadores han utilizado para diseñar microbios que combaten el cáncer.
Un ejemplo de control genético sobre las bacterias que combaten el cáncer es el circuito de lisis sincronizada desarrollado en 2016 por el grupo de Jeff Hasty en la Universidad de California, San Diego, en colaboración con el laboratorio de Sangeeta Bhatia en el MIT, donde ambos hicimos nuestra capacitación de posgrado. (T. D. fue coautor de este estudio de 2016. En este circuito, las bacterias se localizan en tumores y crecen a una densidad crítica, luego se rompen sincrónicamente para liberar compuestos terapéuticos que los microbios habían estado produciendo. Este enfoque, que aprovecha la detección natural de quórum bacteriano, mejora varias características de terapias bacterianas desarrolladas previamente, la mayoría de las cuales producen medicamentos constitutivamente, lo que significa que podrían producir y liberar la terapéutica en áreas no deseadas del cuerpo. Debido a que las bacterias solo alcanzan una densidad crítica dentro de los tumores, solo se autodestruirán y liberarán su carga terapéutica allí. Esto conduce a la poda de la población microbiana, evitando el crecimiento incontrolado de bacterias en el tumor o en otros lugares. En un modelo de ratón de metástasis colorrectal en el hígado, este sistema resultó en un aumento doble de la supervivencia cuando se combinó con quimioterapia, en comparación con quimioterapia o bacterias solas.
Varios grupos han desarrollado aún más este enfoque. En 2019, por ejemplo, uno de nosotros (T. D.), junto con el microbiólogo e inmunólogo de la Universidad de Columbia Nicholas Arpaia y sus colegas, crearon bacterias que producían moléculas conocidas por bloquear los puntos de control inmunitarios, como CD47 o PD-L1, que normalmente frenan las células inmunitarias y, por lo tanto, disminuyen la actividad antitumoral. Como resultado del bloqueo de estas vías en los tumores, las bacterias pudieron preparar las células T y facilitar la eliminación del cáncer en un modelo de ratón con linfoma. Lo más sorprendente es que los tumores no tratados en los animales tratados también disminuyeron, lo que sugiere que el cebado local podría desencadenar una inmunidad antitumoral duradera y distante.
El enfoque de usar bacterias como terapia contra el cáncer está empezando a atraer la atención de la industria biotecnológica. Una empresa, BioMed Valley Discoveries, ha estado probando inyecciones de esporas de Clostridium novyi-NT, un anaeróbico obligado que solo puede crecer en condiciones hipóxicas y está genéticamente atenuado para que no se produzca una toxina letal, en varios ensayos clínicos. En ratas, perros y el primer paciente humano, el tratamiento mostró «respuestas antitumorales precisas, robustas y reproducibles», según un informe de 2014.
Otra compañía, Synlogic, está desarrollando bacterias inyectadas por vía intratumoral diseñadas para producir un agonista de la PICADURA (estimulador de Genes de interferón) y actuar como un activador inmune innato. Las bacterias son detectadas y absorbidas por células presentadoras de antígenos que se han infiltrado en el tumor, y dentro de esas células inmunitarias activan la vía de PICADURA, lo que resulta en la liberación de interferón y respuestas de células T específicas del tumor. Se está llevando a cabo un ensayo clínico de fase 1 para evaluar esta terapia para el tratamiento de tumores sólidos refractarios, y se planean ensayos para su uso en combinación con un inhibidor de punto de control.
Los resultados de estos y otros ensayos servirán para guiar innovaciones adicionales en seguridad y eficacia para terapias de cáncer bacteriano de ingeniería. Por ejemplo, estos estudios arrojarán luz no solo sobre la eficacia terapéutica, sino también sobre los niveles de colonización bacteriana y la distribución en tumores de pacientes, la colonización por desprendimiento o fuera del objetivo, y la estabilidad de las modificaciones genéticas a lo largo del tiempo, factores que solo se han estudiado a un nivel detallado en modelos de ratones. Una vez que se establezca una prueba de principio en humanos, habrá un gran impulso para determinar la cepa bacteriana óptima, la carga útil, los circuitos y los entornos clínicos apropiados para usar este tipo de terapias.
Construir bacterias para Combatir el Cáncer
Los biólogos sintéticos están aplicando nuevas estrategias en ingeniería genética para codificar rasgos y circuitos inteligentes en bacterias para un monitoreo in vivo y administración de fármacos más efectivos. Al mismo tiempo, los ingenieros están desarrollando instrumentos para el control externo y la guía de bacterias con el objetivo de mejorar su capacidad para encontrar tumores y acceder a ellos. He aquí algunos ejemplos.
Bombas bacterianas
Jeff Hasty de la Universidad de California, San Diego, en colaboración con Sangeeta Bhatia del MIT (y T. D. en el laboratorio de Bhatia), diseñó una cepa bacteriana atenuada de Salmonella enterica para liberar de forma sincrónica terapias contra el cáncer cuando la población alcanza tumores de ratón. El efecto se basa en la lisis de quórum, lo que significa que cuando la población detecta una densidad celular crítica de bacterias, lisan y liberan el fármaco, mientras que las bacterias sobrevivientes siguen proliferando hasta que se alcanza de nuevo el umbral crítico para repetir el ciclo.
Nanoestructuras codificadas para imágenes
Mikhail Shapiro de la Universidad de California, Berkeley, y sus colegas codificaron nanoestructuras llenas de gas en microorganismos, incluidas bacterias y arqueas. Estas estructuras, cuando son producidas por los microbios, sirven como agentes de contraste para imágenes de ultrasonido, lo que permite a los investigadores visualizar a dónde van en el cuerpo, lo que es crítico para el diagnóstico del cáncer, así como para monitorear el estado del tratamiento al permitir que los investigadores visualicen la acumulación bacteriana en los tumores a lo largo del tiempo. El grupo demostró recientemente la multiplexación de este enfoque mediante la codificación de un reportero distinto en cada una de las dos bacterias, E. coli y Salmonella, para localizar y distinguir el microbio en las tripas y los tumores de ratones.
Navegación asistida magnéticamente
Sylvain Martel, de Polytechnique Montréal y sus colegas, colocó nanoliposomas que contienen fármacos en una cepa bacteriana magnetotática llamada MC-1 que se inyectó cerca de tumores en ratones. Estas bacterias biomineralizan naturalmente nanopartículas magnéticas dentro de sus membranas, lo que permite a los investigadores usar campos magnéticos para guiar a las bacterias hacia y hacia los tumores, donde pueden administrar terapias o servir como agentes de contraste de imágenes.
Luz brillante sobre los tumores
Di-Wei Zheng y sus colegas de la Universidad de Wuhan en China utilizaron luz para mejorar las actividades metabólicas de E. coli al unirse a las superficies de las bacterias, nanomateriales semiconductores que, bajo irradiación de luz, producen fotoelectrones. Estos desencadenaron una reacción con las moléculas de nitrato endógenas de la bacteria, aumentando la formación y secreción de una forma citotóxica de óxido nítrico en 37 veces. En un modelo de ratón, el tratamiento condujo a una reducción del 80 por ciento en el crecimiento tumoral.
Guía de control remoto de bacterias a tumores
Mientras que los investigadores están teniendo éxito en la ingeniería de bacterias para transportar o producir compuestos anticancerosos, menos del 1 por ciento de esos microbios llegarán a los tumores por sí solos. Dado que la mayoría de los tumores no son accesibles mediante inyección directa, los médicos deben poder navegar eficazmente las terapias bacterianas hasta los sitios tumorales, donde los microbios deben liberar de manera confiable y controlable los medicamentos tóxicos que codifican.
Aquí es donde la biología sintética ha sido influenciada por los principios de la microrobótica. Por ejemplo, E. las bacterias coli se pueden diseñar con genes de microorganismos marinos para detectar y hacer uso de la energía de la luz. En 2018, Jochen Arlt y sus compañeros de trabajo de la Universidad de Edimburgo mostraron que tales cepas fotosintéticas de E. coli móvil podían guiarse a través de campos de luz con patrones espaciales. En respuesta a los patrones de exposición a la luz, las bacterias se movieron a ciertos lugares; el seguimiento de su posición informó la siguiente entrada de luz para guiarlas hacia adelante a lo largo de un camino predefinido, un proceso que se conoce como control de bucle cerrado, una parte fundamental de la robótica.
Los nuevos kits de herramientas genéticas están allanando el camino para los campos emergentes de la micro y la nanorrobótica.
En el mismo año, Xian-Zheng Zhang y sus colegas de la Universidad de Wuhan en China utilizaron la luz para desencadenar localmente un aumento de 37 veces en la producción de citotoxinas bacterianas al unirse a nanomateriales de las membranas de las bacterias que, al exponerse a la luz, liberan fotoelectrones que promueven la síntesis de la toxina. En un modelo de ratón de cáncer de mama, se encontró que estas bacterias anaerobias se acumulaban en el microambiente hipóxico de los tumores, y la producción de citotoxinas potenciadas por la luz subsiguiente dio lugar a una inhibición de alrededor del 80 por ciento del crecimiento tumoral. Este es un ejemplo de cómo la integración de material sintético en bacterias vivas puede permitir el control remoto de ciertas acciones o funcionalidades, otra característica tomada de la robótica clásica.
Mientras que la navegación y el control activados ópticamente tienen un enorme potencial, la capacidad limitada de la luz para penetrar el tejido dificulta la aproximación. Una forma de energía externa más utilizada es el ultrasonido. Durante mucho tiempo ha tenido aplicaciones en diagnósticos médicos y monitoreo. Más recientemente, las microburbujas llenas de gas, debido a su fuerte y distintiva respuesta acústica, se utilizan para mejorar el contraste en imágenes de ultrasonido de tejidos, y se han aplicado formas especiales de ultrasonido focalizado de alta potencia en la terapia para aumentar el transporte de nanobubbles llenos de medicamentos mediante el uso de ondas de presión acústica como energía externa para empujarlas profundamente en los tejidos tumorales. Este enfoque logró resultados especialmente prometedores en el glioblastoma, porque la barrera hematoencefálica es particularmente difícil de superar para los medicamentos. Hace un par de años, los investigadores usaron ultrasonido para rastrear bacterias terapéuticas in vivo. Mikhail Shapiro y sus colegas de Caltech diseñaron genéticamente bacterias para expresar lo que denominaron genes de reportero acústico (ARG), que codifican los componentes de estructuras huecas llamadas vesículas de gas que dispersan ondas de ultrasonido, generando un eco que les permitió detectar la ubicación de la bacteria en el interior de ratones vivos.
Otras fuentes comunes de energía externa que se pueden aplicar de forma segura y remota en el cuerpo humano son los campos magnéticos. Si bien los sistemas de imágenes por resonancia magnética se han utilizado clínicamente durante décadas, el desarrollo de sistemas de guía y control magnéticos todavía es bastante nuevo. Hasta ahora, los investigadores han aplicado el enfoque para guiar catéteres magnéticos para cirugía de alta precisión. El ejemplo más conocido es el sistema NIOBE de Estereotaxis con base en San Luis para el tratamiento de arritmias cardíacas. La punta de un catéter magnético se dirige con precisión a lo largo del tejido cardíaco anormal, donde los pulsos eléctricos calientan o enfrían el dispositivo para extirpar las células que no funcionan correctamente.
El uso de instrumentos magnéticos similares para guiar a las bacterias en el contexto de la terapia del cáncer ha sido propuesto por grupos que trabajan con bacterias magnetotáticas, microbios marinos que sintetizan naturalmente cadenas de nanopartículas de óxido de hierro envueltas en una cubierta lipídica. Este rasgo ha evolucionado para ayudarlos a navegar en el agua al detectar el campo magnético de la Tierra, con estas cuerdas trabajando como agujas de brújula dentro de sus cuerpos unicelulares. Esto fue descubierto por primera vez en la década de 1970 por Richard Blakemore de Woods Hole Oceanographic Institution en Massachusetts. Aproximadamente 40 años después, Sylvain Martel, del Laboratorio de Nanorrobótica de Polytechnique Montréal, y sus colegas, unieron estas bacterias magnetotácticas a DOXIL, la quimioterapéutica envuelta en liposomas que se ganó el título de la primera nanomedicina aprobada. El grupo de Martel, también, aprovechó el hecho de que las bacterias anaeróbicas tienden a ser el hogar de los tumores por su entorno de bajo oxígeno, y combinó ese mecanismo natural de localización con un campo magnético externo de dirección, demostrando una mayor acumulación y penetración de la terapia en tumores de ratón. En otro estudio reciente, uno de nosotros (S. S.), con investigadores del MIT y la ETH de Zúrich, mostró en modelos de tejidos en un chip que la aplicación de campos magnéticos giratorios podría impulsar enjambres de bacterias magnetotácticas para que actúen como pequeñas hélices, creando fuertes flujos para empujar a los nanomedicamentos compañeros fuera de los vasos sanguíneos y más profundamente en los tejidos.
Mientras que el uso de tales especies magnetotácticas dentro del cuerpo humano podría ocurrir décadas en el futuro, codificar la magnetosensación en otras cepas bacterianas más traducibles clínicamente o ya probadas podría ser un objetivo alcanzable a corto plazo. Se han identificado varias de las proteínas involucradas en el complejo proceso de biomineralización que forma los compuestos magnéticos en las bacterias magnetotácticas, y en un preprint publicado a principios de este año, los investigadores informaron que diseñaron E. coli para formar partículas de magnetita y controlarlas mediante campos magnéticos externos.
Otra ruta para hacer no-magnético bacterias controlable por los campos magnéticos es simplemente conecte materiales magnéticos para ellos. Los investigadores han tomado una o varias cepas bacterianas y las han unido a micro o nanopartículas magnéticas. Cuando se exponen a un campo magnético externo, estas partículas magnéticas se orientarán con el campo, y también lo harán las bacterias, que luego viajarán en esa dirección. En 2017, Metin Sitti y sus colegas del Instituto Max Planck para Sistemas Inteligentes en Stuttgart, Alemania, unieron la bacteria E. coli a micropartículas hechas de capas de doxorrubicina quimioterapéutica y pequeñas nanopartículas magnéticas. Usando células cancerosas en un plato, los investigadores demostraron que podían controlar remotamente estos bots bacterianos portadores de medicamentos con imanes para mejorar la orientación de las células tumorales en comparación con solo agregar micropartículas cargadas de medicamentos a las células.
No importa cómo, las bacterias modificadas genéticamente potenciadas por fuentes de energía externas que proporcionan desencadenantes, control y orientación son una nueva dirección fascinante en este campo. Impulsados por la convergencia de la biología sintética, la ingeniería mecánica y la robótica, estos nuevos enfoques podrían acercarnos un paso más a la fantástica visión de pequeños robots que buscan y destruyen muchos tipos de cáncer.
Simone Schuerle es profesora asistente en ETH Zurich y miembro del Instituto de Medicina Traslacional de la universidad. Tal Danino es profesor asistente en la Universidad de Columbia y miembro del Centro Oncológico Integral Herbert Irving y del Instituto de Ciencia de Datos.