Aunque la metástasis de los tumores causa alrededor del 90 por ciento de las muertes por cáncer, el mecanismo exacto que le permite a las células cancerosas propagarse de una parte del cuerpo a otra no está bien entendido. Una pregunta clave es como las células de los tumores se separan de los elementos estructurales que normalmente sostienen los tejidos en su lugar, para después fijarse en un nuevo sitio.
Una imagen microscópica de células cancerosas adhiriéndose a un punto recubierto con moléculas encontradas en la matriz extracelular. Imagen: Nathan Reticker-Flynn
Un nuevo estudio de investigadores del cáncer del MIT revela algunas de las moléculas de adhesión que son críticas para este proceso. Los hallazgos, publicados el 9 de Octubre en Nature Communications, ofrece el potencial de ofrecer nuevos objetivos para las drogas contra el cáncer.
De acuerdo a Sangeeta Bhatia, Profesor de Ciencias de la Salud y Tecnología e Ingeniería Eléctrica y Ciencias Computacionales, líder del equipo investigador:
Conforme las células cancerosas se vuelven más metastáticas, puede haber una pérdida de adhesión a las estructuras de los tejidos normales. Entonces, conforme se vuelven más agresivas, ganan la habilidad de pegarse a, y crecer en, moléculas que no son normalmente encontradas en tejidos sanos pero que son encontradas en lugares donde los tumores hacen metástasis. Si podemos prevenir que crezcan en estos nuevos sitios, podríamos ser capaces de interferir con la enfermedad metastática.
Ganando y perdiendo adhesión
Integrina
Las células dentro del cuerpo humano usualmente están atadas a un sistema de soporte estructural conocido como matriz extracelular, que también ayuda a regular el comportamiento celular. Proteínas llamadas integrinas, localizadas en las superficies celulares, forman las anclas que mantienen a las células en su lugar. Cuando el cáncer hace metástasis, estas anclas se sueltan.
Para este estudio los investigadores construyeron un sistema que les permitió exponer cuatro tipos de cáncer celular a más de 800 pares de moléculas encontrados en la matriz extracelular. Los tipos de cáncer expuestos fueron: tumores de pulmón que después hicieron metástasis, tumores de pulmón que no hicieron metástasis, tumores metastáticos que migraron de los pulmones a los ganglios linfáticos y tumores metastáticos que viajaron a lugares más distantes como el hígado.
Después de depositar células en el microscopio en pequeños lugares, cada uno conteniendo dos diferentes proteínas de la matriz extracelular, los investigadores pudieron medir que tan bien las células de cada tipo de tumor se unían a los pares de proteínas.
Los investigadores se sorprendieron al encontrar que las tendencias de adhesión de células metastáticas de diferentes tumores eran mucho más similares que las del tumor primario del que salieron. Uno par de moléculas de la matriz extracelular al que se pegaron especialmente fueron la fibronectina y la galectina-3, ambas hechas de proteínas que contienen o se pegan a los azúcares.
Un compuesto de platino podría ofrecer una alternativa al cisplatino, un agente de quimioterapia ampliamente usado.
Anne Trafton, MIT News Office. Original (en inglés).
Las drogas que contienen platino están entre los fármacos contra el cáncer más poderosos y ampliamente usados. Sin embargo, dichas drogas tienen efectos secundarios tóxicos, y las células de cáncer pueden eventualmente volverse resistentes a ellas.
El profesor de química del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) Stephen J. Lippard, quien ha pasado la mayoría de su carrera estudiando los fármacos con platino, ha identificado ahora un compuesto que mata las células cancerosas mejor que la cisplatina, la droga contra el cáncer más comúnmente utilizada. El nuevo compuesto podría ser capaz de evadir la resistencia de las células de cáncer a los compuestos tradicionales de platino.
“He creído por un largo tiempo que hay algo especial sobre el platino y su habilidad para tratar el cáncer,” dice Lippard. Usando nuevas variantes, “podríamos tener una oportunidad de aplicar platino a un rango más amplio de tipos de cáncer, con más éxito,” dice.
De izquierda a derecha: Ying Song, Stephen J. Lippard y Ga Young Park. Imagen: M. Scott Brauer
Lippard es el autor principal de un artículo describiendo el nuevo fármaco candidato, conocido como fenantriplatino (phenanthriplatin), en el Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). El autor líder es el posdoctorado Ga Young Park; otros autores son la estudiante graduada Justin Wilson y la posdoctorado Ying Song.
El cisplatino, aprobado por vez primera para tratar el cáncer en 1978, es particularmente efectivo contra el cáncer de testículo, y también es usado para tratar tumores de ovarios y algunos de pulmón, así como linfoma y otros cánceres. Al centro hay un átomo de platino ligado a dos moléculas de amoniaco y dos iones de cloruro. Cuando el compuesto entra en una célula cancerosa, se carga positivamente debido a que las moléculas de agua reemplazan sus iones de cloruro. El ion positivo resultante puede atacar el ADN cargado negativamente, formando vínculos con las hebras de ADN volviendo difícil, si no imposible, que la célula lea esa sección de ADN. Mucho de este daño, si no es reparado, mata la célula.
Cisplatino
Por muchos años, Lippard ha estudiado el mecanismo de la acción del cisplatino y ha estado tras de drogas similares que podrían ser más poderosas, trabajar contra más tipos de cáncer, tener menos efectos secundarios y evadir la resistencia de las células cancerosas.
Una manera de hacer eso es variar la estructura del compuesto de platino, alterando su actividad. En este caso, los investigadores estudiaron compuestos que son similares al cisplatino, pero solo tienen un átomo de cloruro reemplazable. Dicho compuesto puede pegarse al ADN en solo un sitio en lugar de dos.
De investigación temprana sobre los compuestos de platino realizado en los años 70, los investigadores pensaron que los compuestos de platino necesitaban dos puntos de unión en el ADN para tener un efecto en las células cancerosas. Sin embargo, en los años 80, se descubrió que ciertos compuestos de platino cargados positivamente que solo pueden ligarse al ADN en un sitio tienen actividad contra el cáncer, re-encendiendo interés en ellos.
En el 2008, el grupo de Lippard investigó un compuesto llamado piriplatino (pyriplatin), en el cual uno de los átomos de cloruro es reemplazado por un anillo de piridina de seis miembros que incluye cinco átomos de carbono y un átomo de nitrógeno. Este compuesto tiene algo de actividad contra el cáncer, pero no era tan poderoso como el cisplatino o el oxaliplatino, otro fármaco contra el cáncer basado en platino aprobado por la FDA (Food and Drug Administration – Administración de Comida y Drogas) de los Estados Unidos.
Piriplatino. Imagen: PNAS
Lippard se propuso entonces crear compuestos similares con anillos más grande, lo que el teorizó que podría ser más efectivo bloqueando la transcripción de ADN. Uno de esos fue el fenantriplatino, el compuesto descrito en el nuevo artículo de PNAS.
El fenantriplatino fue probado contra 60 tipos de células cancerosas como parte el programa de revisión de fármacos contra el cáncer del Instituto Nacional del Cáncer de los Estados Unidos, y se encontró que era de cuatro a 40 veces más poderoso que el cisplatino, dependiendo del tipo de cáncer. También mostró un patrón diferente de actividad que el del cisplatino, sugiriendo que podría ser usado para tratar tipos de cáncer contra los que el cisplatino es inefectivo.
Una razón para la eficacia del fenantriplatino es que puede enrar en las células de cáncer más fácil que el cisplatino, dice Lippard. Estudios previos han mostrado que los compuestos de platino que contienen carbono pueden pasar a través de canales específicos, encontrados en abundancia en células cancerosas, que permiten entrar compuestos orgánicos cargados positivamente. Otra razón es la habilidad del fenantriplatino de inhibir la transcripción, el proceso mediante el cual las células convierten ADN a ARN en el primer paso de la expresión genética.
Otra ventaja del fenantriplatino es que parece ser capaz de evadir algunas defensas contra los cisplatino de las células cancerosas. Los compuestos que contienen azufre encontrados en las células, como la glutationa (glutathione), pueden atacar el platino y destruirlo antes de que alcance a ligarse al ADN. Sin embargo, el fenantriplatino contiene un anexo de tres anillos voluminosos que parece prevenir que el azufre desactive los compuestos de platino tan efectivamente.
Luigi Marzilli, un profesor de quimioterapia en la Universidad del Estado de Louisiana, dice que el nuevo compuesto parece ser muy prometedor. “Expande la utilidad de los fármacos de platino y evita algunos de los problemas que las drogas existentes tienen,” dice Marzilli, quien no fue parte del equipo investigador.
Los investigadores se encuentran conduciendo ahora pruebas animales para determinar como la droga es distribuida a través del cuerpo, y que tan bien mata los tumores. Dependiendo de los resultados, podrían modificar el compuesto para mejorar esas propiedades, dice Lippard.
Sinapsis, una conexión entre células cerebrales. Imagen: Christine Daniloff
En pruebas clínicas, una mezcla desarrollada en el MIT parece ayudar a vencer la pérdida de conexiones entre las células del cerebro.
Anne Trafton, MIT News Office. Original (en inglés).
Una prueba clínica de un tratamiento para la enfermedad de Alzheimer desarrollado en el MIT ha encontrado que el cóctel de nutrientes puede mejorar la memoria en pacientes con Alzheimer temprano. Los resultados confirman y expanden los descubrimientos de una prueba anterior del suplemento nutricional, que está desarrollado para promover nuevas conexiones entre células cerebrales.
Los pacientes de Alzheimer gradualmente pierden esas conexiones, conocidas como sinapsis, llevando a la pérdida de memoria y otras deficiencias cognitivas. El suplemento, conocido como Souvenaid, parece estimular el crecimiento de nuevas sinapsis, dice Richard Wurtman, el distinguido profesor en el MIT quien inventó la mezcla de nutrientes.
“Quieres aumentar el número de sinapsis, no mediante alentar su degradación – aunque por supuesto también te encantaría hacer eso – sino incrementando la formación de sinapsis,” dice Wurtman.
Para hacer eso, a Wurtman se le ocurrió hacer una mezcla de tres compuestos dietarios naturales: colina, uridina y ácido docosahexaenoico (DHA) de la serie omega-3. La colina puede ser encontrado en una variedad de fuentes, incluyendo el pescado, huevos, lino y carne de animales que se alimentan de pasto. La uridina es producida por el hígado y el riñón, y está presente en algunas comidas como un componente del ácido ribonucleico (ARN).
Estos nutrientes son precursores de las moléculas lípidas que, junto con proteínas específicas, forman las membranas de las células cerebrales, lo que forma sinapsis. Para ser efectivo, los tres precursores deben de ser administrados juntos.
Resultados de la prueba clínica, conducidos en Europa, aparecen en la edición del 10 de julio del Diario de la Enfermedad de Alzheimer (Journal of Alzheimer’s Disease). Los nuevos hallazgos son alentadores por que muy pocas pruebas clínicas han producido mejoras consistentes en los pacientes de Alzheimer, dice Jeffrey Cummings, director del Centro Lou Ruvo para la Salud Cerebral de la Clínica de Cleveland.
“La pérdida de memoria es la característica central del Alzheimer, así que algo que mejora la memoria sería de gran interés,” dice Cummings, quien no fue parte del equipo investigador.
Los planes para el lanzamiento comercial del suplemento no están finalizados, de acuerdo a Nutricia, la compañía probando y comercializando Souvenaid, pero probablemente esté disponible en Europa primero. Nutricia es la división especializada en el cuidado de la salud de la compañía de alimentos Danone, conocida como Dannon en los Estados Unidos.
Formando conexiónes
Espinas Dendríticas
A Wurtman se le ocurrió por primera vez la idea de enfocarse en la pérdida de sinapsis para combatir el Alzheimer hace alrededor de 10 años. En estudios animales, el mostró que este cóctel dietario aumentaba el número de espinas dendríticas, o pequeños afloramientos en las neuronas membranas, encontradas en las células cerebrales. Estas espinas son necesarias para formar nuevas sinapses entre neuronas.
Tras los exitosos estudios animales, Philip Schelten, director del Centro de Alzheimer en el Centro Médico Universitario UV en Amsterdam, llevó a cabo una prueba clínica en Europa involucrando a 225 pacientes con Alzheimer leve. Los pacientes bebieron Souvenaid o una bebida de control diariamente por tres meses.
Ese estudio, reportado por primera vez en el 2008, encontró que 40 por ciento de los pacientes que consumieron la bebida mejoraron en una prueba de memoria verbal, mientras que 24 por ciento de los pacientes que recibieron la bebida de control mejoraron su rendimiento.
El nuevo estudio, desarrollado en varios países Europeos y supervisado por Scheltes como investigador principal, siguió a 259 pacientes por seis meses. Los pacientes, ya sea que tomaran Souvenaid o un placebo, mejoraron el desempeño de su memoria verbal durante los primeros tres meses, pero los pacientes con placebo se deterioraron durante los siguientes tres meses, mientras que los pacientes con Souvenaid continuaron mejorando. Para esta prueba, los investigadores usaron pruebas de memoria más exhaustivas tomadas de la batería de pruebas neuropsicológicas, comúnmente usadas paras evaluar a los pacientes de Alzheimer en investigación clínica.
Los pacientes mostraron una alta taza de conformidad: Alrededor del 97 por ciento de los pacientes siguieron el régimen a lo largo del estudio, y ningún efecto secundario serio fue visto.
Ambas pruebas clínicas fueron patrocinadas por Nutricia. El MIT ha patentado la mezcla de nutrientes usados en el estudio, y Nutricia tiene la licencia exclusiva sobre la patente.
Patrones cerebrales
Tomografía por emisión de positrones
En el nuevo estudio, los investigadores usaron electroencefalografía (EEG – Electroencephalography) para medir como los patrones de actividad cerebral de los pacientes cambiaron a través del estudio. Encontraron que conforme las pruebas progresaban, los cerebros de los pacientes recibiendo suplementos comenzaron a cambiar de patrones típicos de demencia a patrones más normales. Debido a que los patrones en un EEG reflejan la actividad sináptica, esto sugiere que la función sináptica aumentó como resultado del tratamiendo, dicen los investigadores.
Los pacientes entrando en este estudio estaban el las etapas tempranas de la enfermedad de Alzheimer, obteniendo un promedio de 25 en una escala de demencia que va del 1 al 30, con el 30 siendo lo normal. Una prueba previa encontró que el cóctel suplemento no funciona en pacientes con Alzheimer en una etapa más avanzada. Esto tiene sentido, dice Wurtman, por que los pacientes con demencia más avanzada probablemente ya han perdido muchas neuronas, así que no pueden formar nuevas sinapsis.
Una prueba de dos años involucrando pacientes que no tienen Alzheimer, pero que están comenzando a mostrar discapacidad cognitiva, está ahora en proceso. Si la bebida parece ayudar, podría ser usada en gente que da positivo para señales tempranas de Alzheimer, antes de que los síntomas aparezcan, dice Wurtman. Dichas pruebas, que incluyen escaneo PET (Positron Emission Tomography – Tomografía por Emisión de Positrones) del hipocampo, son raramente realizadas ahora por que no hay buenos tratamientos de Alzheimer disponibles.
Una nueva técnica permite la producción de estructuras complejas de microchips en un paso de auto-ensamblaje.
David L. Chandler, MIT News Office. Original (en inglés).
Investigadores del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) han desarrollado un nuevo método para crear el complejo conjunto de cables y conexiones en microchips, utilizando un sistema de polímeros de auto-ensamblaje. El trabajo podría conducir eventualmente a una manera de hacer componentes más compactos en chips de memoria y otros dispositivos.
El nuevo método — desarrollado por el estudiante de doctorado visitante del MIT, Amir Tavakkoli, de la Universidad Nacional de Singapur, junto con otros dos estudiantes graduados y tres profesores en los departamentos de Ingeniería Eléctrica y Ciencias Computacionales (EECS) y de Ingeniería y Ciencia de los Materiales (DMSE) — es descrito en un artículo que será publicado este próximo mes de Agosto en la revista Advanced Materials; el artículo está disponible en línea ahora.
El proceso está estrechamente relacionado a un método que el mismo equipo describió el mes pasado en un artículo en Science, que hace posible la producción de configuraciones tridimensionales de cables y conexiones utilizando un sistema similar de polímeros autoensamblables.
En el nuevo artículo, los investigadores describen un sistema para producir matrices de cables que se encuentran en ángulos rectos, formando cuadrados y rectángulos. Si bien estas formas son la base para la mayoría de los diseños de circuitos de microchips, éstos son difíciles de producir a través del auto-ensamblado. Cuando las moléculas se auto-ensamblan, explica Caroline Ross, la profesora de Toyota de Ingeniería y Ciencia de los Materiales y co-autora de los artículos, tienen una tendencia natural a crear formas exagonales — como en un panal o en un conjunto de burbujas entre hojas de vidrio.
Por ejemplo, un conjunto de rodamientos pequeños en una caja “tiende a dar una simetría hexagonal, incluso aunque esté en una caja cuadrada”, Ross dice. “Pero eso no es lo que quieren los diseñadores de circuitos. Ellos quieren patrones con ángulos de 90 grados” — para superar la tendencia natural fue esencial producir un útil sistema de auto-ensamblaje, dice ella.
La solución del equipo crea una serie de pequeños postes en la superficie que guían los patrones de las moléculas de polímero de auto-ensamblaje. Esto resulta que tiene otras ventajas también: Además de producir patrones cuadrados y rectangulares perfectos de diminutos cables de polímeros, el sistema también permite la creación de una variedad de formas del material mismo, incluyendo cilindros, esferas, elipsoides y cilindros dobles. “Puedes generar este asombroso conjunto de características”, Ross dice, “con una plantilla muy simple”.
Karl Berggren, un profesor asociado de ingeniería eléctrica en el MIT y co-autor del artículo, explica que estas formas complejas son posibles porque “la plantilla, que está recubierta con el fin de repeler uno de los componentes poliméricos, causa una gran tensión local en el patrón. El polímero se tuerce y gira para tratar de evitar esta tensión, y al hacerlo se reorganiza en la superficie. Así podemos vencer las inclinaciones naturales de los polímeros, y hacer que creen patrones mucho más interesantes”.
Este sistema también puede producir características tales como conjuntos de agujeros en el material, cuyo espaciamiento está mucho más cerca de lo que se puede lograr utilizando métodos de fabricación de chips convencionales. Eso significa que puede producir características mucho más compactas en el chip de lo que los métodos actuales pueden crear — un paso importante en los esfuerzos en curso para empacar más y más componentes electrónicos en un determinado microchip.
“Esta nueva técnica puede producir múltiples [formas o patrones] simultáneamente”, dice Tavakkoli. Puede también hacer “patrones complejos, que es un objetivo para la fabricación de nanodispositivos”, con menos pasos que los procesos actuales. La fabricación de una amplia área de circuitos complejos en un chip utilizando la litografía por haz de electrones “podría tomar varios meses” dice. Por el contrario, utilizando el método de polímero auto-ensamblable tomaría sólo unos pocos días.
Eso está todavía demasiado lejos de la fabricación de un producto comercial, pero Ross explica grandes áreas en que este paso debe hacerse una sola vez para crear un patrón maestro, que luego pueda ser utilizado para estampar un revestimiento en otros chips en un proceso muy rápido de fabricación.
La técnica podría extenderse también más allá de la fabricación de microchips, dice Ross. Por ejemplo, un enfoque para la búsqueda de empacar cada vez mayores cantidades de datos en medios magnéticos como discos duros de computadoras, es utilizar un revestimiento magnético con un patrón muy fino estampado en él, definiendo con precisión las áreas donde cada bit de datos va a ser guardado. Un patrón tan fino podría potencialmente ser creado utilizando este método de auto-ensamblaje, ella dice, y luego estampado en los discos.
Craig Hawker, un profesor de química y bioquímica en la Universidad de California en Santa Barbara, que no estuvo involucrado en este trabajo, dice “Hay una necesidad y requisitos crecientes en la industria para encontrar una alternativa a la fotolitografía tradicional para la fabricación de dispositivos microelectrónicos de vanguardia. Este trabajo representa un logro fundamental en este campo y demuestra claramente que estructuras antes consideradas imposibles de alcanzar por una estrategia de auto-ensamblaje puede ahora ser preparada con un alto grado de fidelidad”.
Los colegas de Tavakkoli y Ross en este trabajo son los estudiantes de doctorado de DMSE, Adam Hannon y Kevin Gotrik, el profesor de DMSE, Alfredo Alexander-Kats y el profesor de EECS, Karl Berggren. La investigación, que incluye trabajo en el Laboratorio de Nanoestructuras y el centro de Litografía de Escaneo por Haz de Electrones del MIT, fue financiado por la Semiconductor Research Corporation, el Center on Functional Engineered Nano Architectonics, el Instituto Nacional de Recursos, la Alianza Singapore-MIT, la National Science Foundation, la Taiwan Semiconductor Manufacturing Company y Tokyo Electron.
Sistema semi-autónomo toma el volante para mantener al conductor seguro.
Jennifer Chu, MIT News Office. Original (en inglés).
Barriles y conos puntean un campo abierto en Saline, Michigan, formando una pista de obstáculos para un vehículo modificado. Un conductor dirige remotamente el vehículo a través de la pista desde una ubicación cercana mientras un investigador observa. Ocasionalmente, el investigador indica al conductor que mantenga el volante recto — una trayectoria que parece poner al vehículo en un curso de colisión con un barril. A pesar de las acciones del conductor, el vehículo se dirige a sí mismo rodeando el obstáculo, devolviéndole el control al conductor una vez que el peligro ha pasado.
La clave de la maniobra es un nuevo sistema de seguridad semiautónomo desarrollado por Sterling Anderson, un estudiante de doctorado en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts), y Karl Iagnemma, un científico investigador principal en el Grupo de Movilidad de Robótica del MIT.
El sistema utiliza una cámara a bordo y un telémetro láser para identificar los peligros en el entorno de un vehículo. El equipo ideó un algoritmo para analizar los datos e identificar las zonas de seguridad — evitando, por ejemplo, barriles en un campo, o otros autos en una carretera. El sistema permite a un conductor controlar el vehículo, sólo tomando el volante cuando el conductor está a punto de salir de una zona de seguridad.
Anderson, quien ha estado probando el sistema en Michigan desde el pasado mes de septiembre, lo describe como un ‘co-piloto inteligente’, que monitoriza el desempeño de un conductor y hace ajustes “detrás de escenas” para salvaguardar al vehículo del choque con obstáculos, o mantenerlo dentro de una región segura del entorno, tales como un carril o un área abierta.
“La verdadera innovación es permitir al coche para compartir [el control] contigo”, dice Anderson. “Si usted desea conducir, sólo va a… asegurarse de usted no golpee nada.”
El grupo presentó los detalles del sistema de seguridad recientemente en el Simposio de Vehículos Inteligentes en España.
Fuera del camino transitado
La investigación robótica se ha centrado en los últimos años en el desarrollo de sistemas — desde automóviles hasta equipos médicos y maquinaria industrial — que pueden ser controlados por robots o humanos. En su mayor parte, tales sistemas operan a lo largo de caminos preprogramados.
Como ejemplo, Anderson señala la tecnología detrás de los coches que se estacionan por sí mismos. Para estacionar en paralelo, un conductor involucra la tecnología accionando un switch y alejando sus manos del volante. El coche, entonces se estaciona a sí mismo, siguiendo una ruta previamente planeada en base a la distancia entre los coches vecinos.
Mientras que una ruta planeada puede funcionar bien en una situación de estacionamiento, Anderson dice que a la hora de conducir, una o incluso varias rutas es demasiado limitante.
“El problema es que los seres humanos no piensan de esa manera”, dice Anderson. “Cuando tú y yo manejamos, [no] escogemos un solo camino y lo seguimos obsesivamente. Normalmente, tu y yo vemos un carril o un estacionamiento, y decimos ‘Aquí está el campo de un viaje seguro, aquí está toda la región de la carretera que puedo usar, y no me voy a preocupar de permanecer en una línea específica , siempre y cuando esté a salvo en la carretera y evite colisiones'”.
Anderson e Iagnemma integraron este punto de vista humano en su sistema robótico. El equipo vino con un enfoque para identificar zonas seguras, u “homotopías,” en lugar de rutas específicas de viajes. En lugar de trazar las trayectorias individuales a lo largo de una carretera, los investigadores dividieron el entorno del vehículo en forma de triángulos, con ciertos bordes del triángulo representando un obstáculo o el límite de un carril.
Los investigadores idearon un algoritmo que “restringe” los bordes de obstáculos contiguos, lo que permite al conductor navegar a través de cualquiera de los bordes del triángulo excepto aquellos que están restringidos. Si un conductor está en peligro de cruzar borde restringido — por ejemplo, si se ha dormido al volante y está a punto de chocar hacia una barrera o un obstáculo — el sistema se hace cargo, dirigiendo al carro de vuelta dentro de la zona de seguridad.
Generando confianza
Hasta el momento, el equipo se ha hecho más de 1.200 pruebas del sistema, con pocas colisiones; la mayoría de ellas ocurrieron cuando problemas técnicos en la cámara del vehículo fallaron al identificar un obstáculo. En su mayor parte, el sistema ha ayudado con éxito a los conductores a evitar colisiones.
Benjamin Saltsman, gerente de tecnología e innovación inteligente del vehículo camión en Eaton Corp., dice que el sistema tiene varias ventajas sobre las variantes totalmente autónomas tales como los vehículos auto-conducidos desarrollados por Google y Ford. Estos sistemas, dice, están cargados de sensores costosos, y requieren grandes cantidades de computación para planificar rutas seguras.
“Las implicaciones del sistema de [Anderson] es que lo hace más ligero en cuanto a sensores y requisitos computacionales que lo que un vehículo totalmente autónomo requeriría”, dijo Saltsman, quien no estuvo involucrado en la investigación. “Esta simplificación lo hace mucho menos costoso, y más cercano en términos de implementacion potencial.”
En los experimentos, Anderson también ha observado una respuesta humana interesante: Los que confían en el sistema tienden a desempeñarse mejor que los que no lo hacen. Por ejemplo, cuando se pide que mantengan el volante recto, incluso frente a una posible colisión, los conductores que confiaron en el sistema condujeron a través del trayecto más rápidamente y con mayor confianza que los que desconfiaban del sistema.
¿Y cómo se sentiría el sistema para alguien que no es consciente de que está activado? “Lo más probable es que solamente pienses que eres un piloto con talento”, dice Anderson. “Dirías, ‘Hey, logrado esto’, y no sabrías que el coche está cambiando las cosas detrás de escenas para asegurarse de que el vehículo permanezca seguro, incluso si tus aportes no lo son. ”
Él reconoce que esto no es necesariamente una cosa buena, especialmente para las personas que están aprendiendo a conducir; los principiantes pueden llegar a pensar que son mejores conductores de lo que realmente son. Sin la retroalimentación negativa, con el tiempo estos conductores pueden llegar a ser menos hábiles y más dependientes de la ayuda. Por otro lado, Anderson dice que los conductores expertos pueden sentirse acorralados por el sistema de seguridad. Él e Iagnemma ahora están explorando formas de adaptar el sistema a distintos niveles de experiencia de conducción.
El equipo también espera recortar el sistema para identificar obstáculos utilizando sólo un teléfono móvil. “Se puede meter el móvil en el salpicadero, y usaría la cámara, acelerómetro y giroscopio para proporcionar la retroalimentación necesitada por el sistema”, dice Anderson. “Creo que vamos a encontrar mejores formas de hacerlo que serán más sencillas, económicas y permitan que más usuarios tengan acceso a la tecnología”.
Esta investigación fue apoyada por la Oficina de Investigación del Ejército de los Estados Unidos y la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa. La plataforma experimental fue desarrollada en colaboración con Quantum Signal LLC con la ayuda de James Walker, Steven Peters y Sisir Karumanchi.
Un sistema desarrollado en el MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) podría combinar energía recolectada de la luz, calor y vibraciones, para ejecutar sistemas de vigilancia.
David L. Chandler, MIT News Office. Original (en inglés).
Los investigadores del MIT han dado un paso significativo hacia los sistemas de vigilancia sin baterías — que podría finalmente ser utilizado en dispositivos biomédicos, sensores del medio ambiente en lugares remotos y medidores en puntos de difícil acceso, entre otras aplicaciones.
El trabajo previo del laboratorio de profesor Anantha Chandrakasan del MIT, se ha enfocado en el desarrollo de chips de computadora y comunicación inalámbrica, que pueden operar a niveles de energía extremadamente bajos, y en una variedad de dispositivos que pueden aprovechar el poder de la luz natural, el calor y vibraciones en el medio ambiente. El desarrollo más reciente, llevado a cabo con el estudiante de doctorado Saurav Bandyopadhyay, es un chip que podría aprovechar las tres de estas fuentes de energía ambiental a la vez, optimizando el suministro de energía.
El circuito de combinación de energía se describe en un artículo que se publicará este verano en el Diario de Circuitos de Estado Sólido del IEEE.
“La recolección de energía se está convirtiendo en una realidad”, dice Chandrakasan, el profesor de Ingeniería Eléctrica de Keithley y director del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias Computacionales del MIT. Los chips de bajo consumo de energía que pueden recopilar datos y transmitirlos a una estación central están en desarrollo, así como los sistemas para aprovechar la energía de fuentes ambientales. Pero el nuevo diseño logra un uso eficiente de múltiples fuentes de energía en un solo dispositivo, una gran ventaja ya que muchas de estas fuentes son intermitentes e impredecibles.
“La clave aquí es el circuito que combina eficientemente muchas fuentes de energía en una sola”, dice Chandrakasan. Los dispositivos individuales necesarios para aprovechar estas pequeñas fuentes de energía — como la diferencia entre la temperatura del cuerpo y el aire exterior, o los movimientos y vibraciones de cualquier cosa de una persona que camina a un puente en vibración porque el tráfico pasa sobre él – ya se han desarrollado, muchos de ellos en el laboratorio de Chandrakasan.
Combinando el poder de estas fuentes variables requiere un sofisticado sistema de control, Bandyopadhyay explica: Por lo general cada fuente de energía requiere su propio circuito de control para cumplir con sus requisitos específicos. Por ejemplo, circuitos para aprovechar diferencias térmicas producen típicamente sólo de 0,02 a 0,15 voltios, mientras que las células fotovoltaicas de baja potencia pueden generar de 0,2 a 0,7 voltios y los sistemas de recolección de vibraciones pueden producir hasta 5 voltios. La coordinación de estas diferentes fuentes de energía en tiempo real para producir una salida constante es un proceso difícil.
Hasta ahora, la mayoría de los esfuerzos para aprovechar múltiples fuentes de energía simplemente han conmutado entre ellos, aprovechándose del que esté generando la mayor cantidad de energía en un momento dado, dice Bandyopadhyay, pero que puede desperdiciar la energía que está siendo entregada por las otras fuentes. “En lugar de eso, se extrae la energía de todas las fuentes”, dice. El enfoque combina la energía de múltiples fuentes al cambiar rápidamente entre ellas.
Otro desafío para los investigadores fue reducir al mínimo la energía consumida por el circuito de control en sí, para dejar lo más posible a los dispositivos que en realidad está alimentando — tales como sensores para medir la frecuencia cardíaca, azúcar en la sangre, o las tensiones en un puente o una tubería. Los circuitos de control optimizan la cantidad de energía extraída de cada fuente.
El sistema utiliza una innovadora arquitectura de doble vía. Usualmente, las fuentes de energía serían usadas para cargar un dispositivo de almacenamiento, tal como una batería o un supercondensador, que luego alimentarían al verdadero sensor u otro circuito. Pero en este sistema de control, el sensor puede ser alimentado desde un dispositivo de almacenamiento o directamente de la fuente, evitando el sistema de almacenamiento por completo. “Eso lo hace más eficiente”, dice Bandyopadhyay. El chip utiliza un solo inductor de tiempo compartido, un componente crucial para apoyar a los múltiples convertidores necesarios en este diseño, en vez de independientes para cada fuente.
David Freeman, jefe tecnólogo de soluciones de suministro de energía en Texas Instruments, que no participó en este trabajo, dice: “El trabajo que se realiza en el MIT es muy importante para permitir la recolección de energía en diferentes entornos. La capacidad de extraer energía de varias fuentes diferentes ayuda a maximizar la potencia para una mayor funcionalidad de sistemas como los nodos de sensores inalámbricos”.
Sólo recientemente, dice Freeman, compañías como Texas Instruments han desarrollado microcontroladores de muy baja potencia y transceptores inalámbricos que podrían ser alimentados por esas fuentes. “Con innovaciones como éstas que combinan múltiples fuentes de energía, estos sistemas pueden ahora comenzar a aumentar la funcionalidad”, dice. “Los beneficios de operar desde múltiples fuentes no sólo incluye la maximización de la energía máxima, sino que también ayuda cuando puede ser que una sola fuente de energía esté disponible”.
El trabajo ha sido financiado por el Interconnect Focus Center, un programa combinado de la Defense Advanced Research Projects Agency y compañías en las industrias de defensa y de semiconductores.
Un nuevo estudio del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) ofrece una mirada profunda a los cambios químicos y genéticos que ocurren cuando la inflamación progresa en cáncer.
Anne Trafton, MIT News Office. Original (en inglés).
Biopsia endoscópica mostrando una inflamación granulomatosa del colon en un caso de enfermedad de Crohn. Imagen: wikipedia/nephron
Uno de los factores de riesgo más grandes para el cáncer de hígado, colon o estómago es la inflamación crónica de esos órganos, comúnmente causada por infecciones virales o bacteriales. Un nuevo estudio del MIT ofrece la mirada más profunda hasta ahora sobre cómo dichas infecciones provocan que los tejidos se vuelvan cancerosos.
El estudio, que apareció en la edición en línea de Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) de la semana del 11 de Junio, rastreó una variedad de cambios genéticos y químicos en los hígados y cólones de ratones infectados con Heliobacter hepaticus, una bacteria similar a la Helicobacter pylori, la que causa úlceras estomacales y cáncer en humanos.
Los hallazgos podrían ayudar a los investigadores a desarrollar maneras de predecir las consecuencias a la salud de inflamación crónica, y diseñar drogas que detengan dicha inflamación.
“Si entiendes el mecanismo, entonces puedes diseñar intervenciones”, dice Peter Dedon, un profesor de Ingeniería Biológica del MIT. “Por ejemplo, ¿qué tal si desarrollamos maneras de bloquear o interrumpir los efectos tóxicos de la inflamación crónica?”.
Dedon es uno de los autores principales del artículo, junto con Steven Tannenbaum, un profesor de ingeniería biológica y química; James Fox, un profesor de ingeniería biológica y director del Departamento de Medicina Comparativa; y Gerald Wogan, un profesor de ingeniería biológica y química. El autor principal es Aswin Mangerich, un antiguo posdoctorado del MIT ahora en la Universidad de Konstanz en Alemania.
Demasiado de una cosa buena
Durante los últimos 30 años, Tannenbaum ha liderado un grupo de investigadores del MIT dedicados a estudiar el vínculo entre inflamación crónica y cáncer. La inflamación es una de las reacciones naturales del cuerpo a cualquier tipo de infección o daño, pero cuando se prolonga por mucho tiempo, los tejidos pueden ser dañados.
Cuando el sistema inmune del cuerpo detecta patógenos o daño celular, activa un torrente de células llamadas macrófagos y neutrófilos. El trabajo de estas células es devorar bacterias, células muertas y escombros: proteínas, ácidos nucleicos y otras moléculas liberadas por células muertas o dañadas. Como parte de este proceso, las células producen químicos altamente reactivos que ayudan a degradar a las bacterias.
“Al hacer esto, devorar las bacterias y soltar estos químicos reactivos sobre ellas, los químicos también pueden difundirse en el tejido, y ahí es donde se presenta el problema”, dice Dedon.
Si esto se lleva a cabo durante un largo período de tiempo, esa inflamación puede eventualmente llevar al cáncer. Un estudio reciente publicado en el diario The Lancet encontró que las infecciones cuentan por alrededor de 16 por ciento de nuevos casos de cáncer en el mundo.
Daño extendido
En el nuevo estudio del MIT, los investigadores analizaron ratones que habían sido infectados con H. hepaicus, que causa que desarrollen una condición similar a la enfermedad inflamatoria intestinal en los humanos. Durante el transcurso de 20 semanas, los ratones desarrollaron infecciones crónicas del hígado y el colon, con algunos de los ratones desarrollando cáncer de colon.
A lo largo del período de 20 semanas, los investigadores midieron alrededor de una docena de tipos diferentes de daño al ADN, ARN y las proteínas. También examinaron el daño al tejido y midieron que genes fueron encendidos y apagados según la infección progresó. Uno de sus encuentros claves fue que el hígado y el colon respondieron diferente a la infección.
En el colon, pero no en el hígado, el neutrófilo secretó ácido hipocloroso (también encontrado en los limpiadores caseros), que daña significativamente las proteínas, el ADN y el ARN añadiendo un átomo de cloro a ellos. El ácido hipocloroso tiene la intención de matar a las bacterias, pero también puede filtrarse en el tejido circundante y daña las células epiteliales del colon.
Los investigadores encontraron niveles de uno de los productos del daño por cloro en el ADN y ARN, clorotirosina, bien correlacionada con la severidad de la inflamación, lo que podría permitirles predecir el riesgo de inflamación crónica en pacientes con infecciones del colon, hígado o estómago. Tannenbaum recientemente identificó otro producto del daño por cloro en proteínas: clorotirosina, la que se correlaciona con inflamación. Mientras que estos resultados apuntan a un papel importante de los neutrófilos en la inflamación y el cáncer, “aún no sabemos si podemos predecir el riesgo de cáncer de estas moléculas dañadas”, dice Dedon.
Otra diferencia que encontraron los investigadores entre el colon y el hígado fue que los sistemas de reparación de ADN se volvieron más activos en el hígado pero menos activos en el colon, aún cuando ambos estaban experimentando daño de ADN. “Es posible que tengamos un doble efecto [en el colon]. Tienes estas bacterias que suprimen la reparación de ADN, al mismo tiempo que tienes todo este daño al ADN ocurriendo en el tejido como resultado de la respuesta inmune a las bacterias”, dice Dedon.
Los investigadores también identificaron varios tipos de daño al ADN previamente desconocidos en ratones y humanos, uno de los que involucran la oxidación de la guanina, un bloque de construcción de ADN, en dos nuevos productos, spiroiminodihidatoina (spiroiminodihydantoin) y guanidinohidanotoina (guanidinohydanotoin).
James Swenberg, un profesor de ciencias ambientales e ingeniería en la Universidad de la Escuela de Salud Pública de Carolina del Norte, dice que estudios “profundos e inovativos” deberían ayudar a los investigadores a entender mejor muchos tipos de cáncer. “No puedo recordar haber visto un artículo que trajo tantos aspectos de investigación a la mesa en un reporte”, dijo Swenberd, quien no estuvo involucrado en el estudio.
En futuros estudios, el equipo del MIT planea investigar los mecanismos del desarrollo del cáncer con más detalle, incluyendo ver por qué las células experimentan una disminución en algunos tipos de daño al ADN pero no en otros.
La investigación fue patrocinada por el Instituto Nacional del Cáncer de los Estados Unidos.
Nuevo software amplifica cambios en cambios sucesivos de video que son demasiado sutiles para el ojo desnudo.
Larry Hardesty, MIT News Office. Original (en inglés).
En estos cuadros de video, un nuevo algoritmo amplifica el casi imperceptible cambio en el color de la piel causado por el bombeo de sangre. Imagen: Michael Rubinstein
En la conferencia Siggraph de este verano – la conferencia principal de gráficos computacionales – investigadores del Laboratorio de Ciencia Computacional e Inteligencia Artificial (CSAIL – Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory) del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts), presentarán nuevo software que amplifica variaciones en cuadros sucesivos de video que son imperceptibles al ojo desnudo. Así que, por instancia, el software hace posible “ver” el pulso de alguien, ya que la piel se enrojece y palidece con el flujo sanguíneo, y puede exagerar pequeños movimientos, haciendo visibles las vibraciones de cuerdas de guitarra individuales o el respirar de un bebé en la unidad neonatal de cuidado intensivo.
El sistema es similar a un equalizador en un sistema de sonido estéreo, que amplifica algunas frecuencias y corta otras, excepto que la frecuencia pertinente es la frecuencia de cambios de color en una secuencia de cuadros de video, no la frecuencia de una señal de audio. El prototipo de el software permite al usuario especificar el rango de frecuencias de interés y el grado de amplificación. El software trabaja en tiempo real y muestra el video original y la versión alterada del video, con cambios magnificados.
Aunque la técnica se presta naturalmente a fenómenos que recurren a intérvalos regulares – como el latir de un corazón, el movimiento de una cuerda vibrante o el inflado de los pulmones – si el rango de frecuencias es lo suficientemente amplio, el sistema puede amplificar los cambios que ocurren solo una vez. Así que, por instancia, podría ser utilizado para comparar diferentes imágenes de la misma escena, permitiendo que el usuario fácilmente elija cambios que podrían pasar desapercibidos de otra manera. En un grupo de experimentos, el sistema pudo amplicar dramáticamente el movimiento de sombras en una escena de calle fotografiada solo dos veces, a un intérvalo de alrededor de 15 segundos.
Accidente feliz
Los investigadores del MIT – el estudiante graduado Michael Rubinstein, los recientes alumnos Hao-Yu Wu y Eugene Shih, y el profesor William Freeman, Fredo Durand y John Guttag – intentaban que el sistema amplificara cambios de color, pero en sus experimentos iniciales, encontraron que también amplificaba el movimiento. “Comenzamos amplificando el color, y notamos que con este buen efecto, también el movimiento fue amplificado”, dice Rubinstein. “Así que volvimos, encontramos exactamente que sucedía, lo estudiamos bien, y vimos como incorporar eso para hacer una mejor amplificación de movimiento”.
Usar el sistema para amplificar movimiento en lugar de color requiere un diferente tipo de filtrado, y funciona bien solo si los movimientos son relativamente pequeños. Pero por supuesto, esos son exactamente los movimientos cuya amplificación sería de interés.
Rubinstein puede visualizar que, entre otras aplicaciones, el sistema podría ser usado para “monitoreo sin contacto” de los signos vitales de pacientes de hospital. Aumentar un grupo de frecuencias permitiría medir las tasas de pulsaciones, por medio de pequeños cambios en la coloración de la piel; aumentando otro grupo de frecuencias permitiría monitorear la respiración. El acercamiento podría ser particularmente útil con bebés que nacen prematuramente o requieren atención médica temprana. “Sus cuerpos son tan frágiles, que quieres ponerles tan pocos sensores como sea posible”, dice Rubinstein.
Similarmente, dice Rubinstein, el sistema podría ser usado para aumentar el video de monitores de bebé, caseros, así que la respiración de bebés durmiendo sería claramente visible. Siendo un padre el mismo, Rubinstein dice que el y su esposa equiparon la cuna de su hija con sensores de presión comerciales con la intención de medir el movimiento y calmar a padres ansiosos de que sus hijos siguen respirando. “Esos son caros”, dice Rubinstein, “y algunas personas realmente se quejan de recibir falsos positivos con ellos. Así que realmente puedo ver como este tipo de técnica podrá funcionar mejor”.
En su artículo, los investigadores describen experimentos en los que comenzaron a investigar ambas aplicaciones. Pero desde que comenzaron a dar conferencias sobre el trabajo, dice Rubinstein, sus colegas han propuesto un rango de otros usos posibles, desde imágenes laparoscópicas de órganos internos, hasta sistemas de vigilancia de gran alcance que magnifiquen movimientos sutiles, a detectores de mentiras sin contacto basados en la tasa de pulsaciones.
“Es un resultado fantástico,” dice Maneesh Agrawala, un profesor asociado en el departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencia Computacional en la Universidad de California en Berkeley, y director del Laboratorio de Visualización del departamento. Agrawala apunta que Freeman y Durand fueron parte del equipo de investigadores del MIT que hicieron ruido en la conferencia Siggraph del 2005 con un artículo sobre la amplificación de movimientos en video. “Este acercamiento es más simple y te permite ver algunas cosas que no podías ver con el acercamiento anterior”, dice Agrawala. “La simplicidad del acercamiento lo vuelve en algo que tiene la posibilidad de aplicación en un gran número de lugares. Creo que veremos a mucha gente implementándolo por que es muy sencillo”.
El Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) de la NASA, ha enviado los datos que indican que el hielo puede llegar a ocupar hasta un 22 por ciento del material de la superficie en un cráter localizado en el polo sur de la Luna.
El equipo de la NASA y científicos de la universidad usando la luz láser del altímetro del láser LRO que examinó el suelo del cráter de Shackleton. Encontraron que el suelo del cráter es más brillante que el de otros cráteres cercanos, que es consistente con la presencia de cantidades pequeñas de hielo. Esta información ayudará a los investigadores a comprender la formación del cráter y estudiar otras áreas inexploradas de la luna. Los hallazgos aparecen publicados en la edición del jueves de la revista Nature.
Las mediciones del brillo nos han estado desconcertando desde hace dos veranos”, dijo Gregory Neumann del Centro de Vuelos espaciales Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, un co-autor del artículo. “Mientras que la distribución de brillo no fue exactamente lo que esperábamos, prácticamente todas las mediciones relaciondas con el hielo y otros compuestos volátiles en la luna es sorprendente, teniendo en cuenta las temperaturas frías cósmicas en el interior de sus cráteres polares”.
La nave ha mapeado el cráter Shackleton, con un detalle sin precedente, utilizando un láser para iluminar el interior del cráter y medir su albedo o reflectante natural. La luz del láser mide a una profundidad comparable a su longitud de onda, o alrededor de una micra. Que representa una millonésima de un metro, o menos de una diezmilésima de pulgada. El equipo también usó el instrumento para mapear el relieve del terreno del cráter basado en el tiempo que le tomó a la luz del láser recuperarse de la superficie de la luna. Cuanto más tiempo se tomó, la elevación del terreno era más baja.
Además de la posible evidencia de hielo, el mapa del grupo de Shackleton reveló un muy bien conservado cráter que se ha mantenido relativamente indemne desde su formación hace más de tres mil millones de años atrás. El suelo del cráter está salpicado a sí mismo de varios cráteres pequeños, que podrían haberse formado como parte de la coalición que creó Shackleton.
El interior del cráter, lleva el nombre del explorador Antártico Ernest Shackleton, es de dos millas de profundidad y más de 12 millas de ancho. Al igual que varios cráteres del polo sur de la luna, la pequeña inclinación del eje de rotación lunar significa que el interior del cráter Shackleton es permanentemente oscuro y por lo tanto extremadamente frío.
“El interior del cráter es extremadamente fuerte”, dijo Maria Zuber, la líder del equipo investigador del MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts) en Cambridge en Massachusetts. “No sería fácil de rastrear por ahí”.
Mientras que, el suelo del cráter era relativamente brillante, Zuber y sus colegas observaron que sus paredes eran aún más brillantes. El hallazgo fue en un primer momento desconcertante. Los científicos habían pensado que si el hielo estuviera dondequiera en un cráter, sería en el suelo, donde no penetra la luz del sol en forma directa. Las paredes superiores del cráter Shackleton se iluminan ocasionalmente, lo que podría evaporar el hielo que se acumula. Una teoría ofrecida por el equipo para explicar el enigma es que los sismos lunares – la sacudida sísmica trajo por impactos de meteoritos o las mareas gravitacionales de la Tierra – pudo haber causado que las paredes más viejas de Shackleton se desprendieran, el suelo más oscuro, revelando el más nuevo, el suelo más brillante, por debajo del suelo. El equipo de Zuber proporciona mapas de ultra alta resolución de una fuerte evidencia de hielo tanto en el suelo como en paredes del cráter.
Puede haber múltiples explicaciones para el brillo observado en todo el cráter”, dijo Zuber. “Por ejemplo, nuevo material puede estar expuesto a lo largo de sus paredes, mientras que el hielo se puede mezclar con el suelo”.
El objetivo primario inicial de LRO era llevar a cabo las investigaciones que preparan para la futura exploración lunar. Lanzado en junio de 2009, LRO completó su misión de exploración primaria y está ahora en su misión científica primaria. LRO fue construido y es administrado por el Centro Goddard. Esta investigación fue apoyada por la Exploración Humana de la NASA, la Dirección de misiones y operaciones, y la Dirección de Misiones y Ciencia de la sede de la agencia en Washington.
Una nanopartícula de ácido nucleico posee menos riesgo de efectos secundarios y ofrece mejor precisión al apuntarla.
Anne Trafton, MIT News Office. Original (en inglés).
Investigadores crearon está nano partícula con ADN y ARN para apagar genes en células cancerosas. Image: Hyukjin Lee and Ung Hee Lee
Usando una técnica conocida como “origami de ácido nucleico”, ingenieros químicos han construido pequeñas partículas hechas de ADN y ARN que pueden entregar trozos de ARN directamente a los tumores, apagando genes expresados en células de cáncer.
Para alcanzar este tipo de apagado de genes, conocido como interferencia ARN, mucho investigadores han tratado – con algo de éxito – de entregar ARN con partículas hechas de polímeros o lípidos. Sin embargo, esos materiales pueden poseer riesgos de seguridad y son difíciles de apuntar, dice Daniel Anderson, un profesor asociado de ciencias de la salud y tecnología e ingeniería química, y un miembro del Instituto David H. Koch para la Investigación Integrativa del Cáncer en el MIT (Massachusetts Institute of Technology – Instituto Tecnológico de Massachusetts).
Las nuevas partículas, desarrolladas por investigadores en el MIT, Alnylam Pharmaceuticals y la Escuela de Medicina de Harvard, parecen vencer aquellos desafíos, dice Anderson. Debido a que las partículas están hechas de ADN y ARN, son biodegradables y no poseen amenaza para el cuerpo. Pueden ser etiquetadas con moléculas de folato (la vitamina B9 o ácido fólico producida de manera natural por el cuerpo) para apuntar a la abundancia de receptores de folato encontrada en algunos tumores, incluyendo aquellos asociados con el cáncer de ovarios – uno de los cánceres más mortales y difíciles de tratar.
Anderson es autor principal de un artículo sobre las partículas que apareció en la edición del 3 de junio en Nature Nanotechnology. El autor líder del artículo es el antiguo posdoctorado del MIT Hyukjin Lee, ahora un profesor asistente en la Universidad de Mujeres Ewha en Seul, Corea del Sur.
Perturbación de genes
La interferencia ARN (RNAi por sus siglas en inglés), un fenómeno natural que las células usan para controlar su expresión genética, ha intrigado a los investigadores desde su descubrimiento en 1998. La información genética es normalmente cargada desde el ADN en el núcleo a ribosomas, estructuras celulares donde las proteínas son creadas. ARN interferente corto (siRNA por sus siglas en inglés de short interfering RNA), perturba este proceso al pegarse a las moléculas mensajeras ARN que cargan las instrucciones del ADN, destruyéndolas antes de que alcancen el ribosoma.
Nanopartículas que entregan siRNA hechas de lípidos, las que el laboratorio de Anderson y Alnylam también están desarrollando, han mostrado algo de éxito en apagar los genes del cáncer en estudios animales, y pruebas clínicas están ahora siendo llevadas a cabo en pacientes con cáncer de hígado. Las nanopartículas tienden a acumularse en el hígado, el bazo y los pulmones, así que el cáncer de hígado es un objetivo natural – pero ha sido difícil apuntar dichas partículas a tumores en otros órganos.
“Cuando piensas de cáncer metástatico, no quieres detenerte en el hígado”, dice Anderson. “También quieres llegar a más sitios diversos”.
Otro obstáculo para llenar la promesa del RNAi ha sido encontrar maneras de entregar las hebras cortas de ARN sin lastimar los tejidos saludables del cuerpo. Para evitar esos posibles efectos secundarios, Anderson y sus colegas decidieron entregar el ARN en un simple paquete hecho de ADN. Usando origami de ácido nucleico – que permite a los investigadores construir formas tridimensionales de segmentos cortos de ADN – fusionaron seis hebras de ADN para crear un tetraedro (una pirámide de seis bordes y cuatro caras). Una sola hebra de ARN fue entonces fijada a cada borde del tetraedro.
“Lo que es particularmente emocionante sobre el origami de ácido nucleico es el hecho de que puedes hacer partículas idénticas molecularmente y definir la localización de cada átomo”, dice Anderson.
Para apuntar las partículas a las células de tumor, los investigadores pegaron tres moléculas de folato a cada tetraedro. Los fragmentos de proteína cortos también podrían ser usados para apuntar las partículas a una variedad de tumores.
Usando origami de ácido nucleico, los investigadores tienen mucho más control sobre la composición de las partículas, volviendo más fácil crear partículas idénticas que todas busquen el mismo objetivo. Esto no es usualmente el caso con las nanopartículas de lípidos, dice Vinod Labhasetwar, un profesor de ingeniería biomédica en el Instituto de Investigación Lerner en la Clínica Cleveland. “Con partículas de lípidos, no estás seguro de qué fracción de las partículas realmente están llegando a los tejidos objetivo”, dice Labhasetwar, quien no estuvo involucrado en este estudio.
Circular y acumularse
En estudios de ratones implantados con tumores humanos, los investigadores encontraron que una vez inyectadas, las nanopartículas de ácido nucleico circularon en el torrente sanguíneo con una vida media de 24 minutos – el suficiente tiempo para alcanzar sus objetivos. El tetraedron de ADN parece proteger el ARN de la rápida absorción por los riñones y su excreción, lo que usualmente ocurre cuando el ARN es administrado por sí mismo, dice Anderson.
“Si tomas un ARN interferente corto y lo inyectas en el torrente sanguíneo, típicamente está fuera en seis minutos. Si haces una nanopartícula más grande usando métodos de origami, incrementa su habilidad para evitar la excreción a través de los riñones, incrementando por lo tanto su tiempo circulando por el corriente sanguíneo”, dice.
Los investigadores también mostraron que las nanopartículas de ácido nucleico se acumularon en los sitios del tumor. El ARN entregado por las partículas fue diseñado para apuntar a un gen por luciferasa (una enzima utilizada en bioluminiscencia), el cual fue agregado a las células del tumor para hacerlas brillar. Encontraron que en ratones tratados, la actividad de la luciferasa cayó más de la mitad.
El equipo diseña ahora nanopartículas para apuntar a genes que promueven el crecimiento del tumor, y también trabaja en apagar genes involucrados en otras enfermedades genéticas.
La investigación fue patrocinada por el Instituto Nacional de Salud (National Institutes of Health) de los Estados Unidos, el Centro para la Excelencia de la Nanotecnología del Cáncer (Cancer Nanotechnology Excellence), Alnylam Pharmaceuticals y la Fundación Nacional de Investigación de Corea.
