Biotecnología

Lo que comemos tiene un elevado impacto en nuestra salud. Sin embargo, según los médicos, medir exactamente qué y cuánto ingerimos habitualmente es una tarea muy difícil ya que parece ser difícil obtener una respuesta sincera por parte de los pacientes.

Investigadores de las Universidades de Aberystwyth y Newcastle en el Reino Unido están desarrollando un test con el que con ayuda de las “huellas dactilares” de diferentes alimentos determinados en la orina pueden determinar exactamente si llevamos una dieta sana o todo lo contrario. Esas huellas dactilares responden a metabolitos únicos relacionados con determinados alimentos. Hasta el momento, éstas señas únicas han sido determinadas para lo que conocemos como “alimentos saludables” por ejemplo frambuesas, brócoli, salmón o zumo de naranja (alimentos muy abundantes en los supermercados de UK). Para mejorar el test están trabajando en integrar nuevos alimentos a la base de datos (tales como la pechuga de pollo cuya huella metabólica se muestra a continuación).

En el desarrollo de estos análisis se ha empleado la espectrometría de masas. En concreto la técnica de FIE-MS (flow injection electrospray-ionisation) en un primer estudio más general tipo screening (principalmente por el poco tiempo necesario para obtener resultados) y a partir de esos datos para validar los resultados (debido a la exactitud de masa) la técnica FT-ICR-MS (Fourier-Transform Ion Cyclotron Resonance Mass-Spectroscopy).

El proceso para determinar estas huellas no es sencillo. Comienza con una colecta de muestras de grupos perfectamente definidos todos ellos voluntarios, en este caso. Este periodo se alargó durante varios años y en ese tiempo con ayuda de estadística PD-CLA se confirmó la existencia de un buen agrupamiento de los diferentes tipos de orina (recogida a diferentes horas), para diferentes experimentos (diferente alimentación) y en diferentes condiciones lo que minimizaba riesgo de equivocación y fijaba más el concepto de huella. Una vez comprobado esto, la independencia del tipo de muestra, el siguiente paso estaba en identificar metabolitos únicos que pudiesen ser relacionados con la comida, tras pasar previamente por una identificación hipotética. Un ejemplo podría ser el dipéptido anserina que se encuentra abundantemente en la pechuga de pollo:

1. Determinación de masa exacta por FT-ICR-MS del metabolito arsenina en pool de orina tomada en ayuno.
2. Evaluación de la presencia del metabolito FIE-MS/MS en un pool de orina tomada en ayuno.
3. Evaluación del espectro de masas típico de la anserina sintética.

Una vez identificados y caracterizados metabolitos típicos, por cambios en la dieta, se estudió si los metabolitos desaparecían a corto plazo y se podía “mentir” y hacer parecer que se lleva una dieta sana. La evaluación se realizó por modificaciones de los componentes del desayuno en grupos de voluntarios. Los resultados de días posteriores mostraron que los perfiles metabólicos de alimentos que se consumen habitualmente no desaparecen y son visibles en ensayos a tiempos largos.

Tanto médicos como dietistas, nutricionistas e investigadores creen que la evaluación de las dietas puede prevenir enfermedades relacionadas con tipos de alimentos y las cantidades de los mismos ingeridos. Y lo que es más, señalan la posibilidad de que este tipo de test pudiera convertirse en una herramienta contra las enfermedades crónicas. A más largo plazo, objetivo final es un kit de evaluación por inmersión de tiras en orina.

Marta Martín Lorenzo


Referencias

• FAVE G, BECKMANN M, LLOYD AJ, ZHOU S, HAROLD G, LIN W, TAILLART K, XIE, L, DRAPER J, MATHERS JC (2011) Metabolomics7, 469-484. Development and validation of a standardised protocol to monitor human dietary exposure by metabolite fingerprinting of urine samples.
• LLOYD AJ, FAVE G, BECKMANN M, LIN W, TAILLIART K, XIE L, MATHERS JC, DRAPER J (2011) American Journal of Clinical Nutrition94, 981-991. ‘Use of mass spectrometry fingerprinting to identify urinary metabolites after consumption of specific foods.’
• LLOYD AJ, BECKMANN M, FAVE G, MATHERS JC, DRAPER J (2011) British Journal of Nutrition106, 812-824. ‘Prolinebetaine and its biotransformation products in fasting urine samples are potential biomarkers of habitual citrus fruit consumption.’

Según datos facilitados por la OMS, en los países de bajos ingresos, menos de una cuarta parte de la población llega a los 70 años y más de una tercera parte de los fallecimientos se produce entre los menores de 14 años. Los tres avances biotecnológicos que se describen a continuación buscan ayudar a países con un bajo índice de desarrollo y nos recuerdan que la ciencia debe estar al servicio de las necesidades humanas.

En la Universidad de Queensland, el profesor Mark Kendall y sus colegas han desarrollado una alternativa a la tradicional vacuna que prescinde de pinchazos, requiere una menor dosis y no necesita refrigeración. Este producto es conocido como nano-patch y promete cambiar el actual concepto de vacuna. Las dimensiones de nano-patch son inferiores a las de un sello de correos y posee 20.000 proyecciones por centímetro cuadrado. Estas proyecciones contienen la vacuna seca unida a carboximetilcelulosa u otro excipiente. Cuando el parche se adhiere a la epidermis, las proyecciones empujan las biomoléculas a través de la capa externa de la piel hasta las células diana. “En la actualidad, la mayoría de las vacunas se suministran en el músculo, que tiene pocas células del sistema inmune”, explica Mark Kendall . “Por el contrario, la piel es abundante en las células inmunes, lo que ofrece un gran potencial para las vacunas”. El Nano-patch ha encontrado solución a dos grandes inconvenientes que presenta el uso de vacunas inyectables en países en desarrollo: el requerimiento de profesionales de la salud para administrar las vacunas y la necesidad de una refrigeración adecuada a lo largo de la cadena de suministro.

Los dos siguientes avances nacen de la preocupación por el precario estado nutricional sufrido por gran parte de la población mundial. Cada día, millones de personas en el mundo ingieren tan sólo la cantidad mínima de nutrientes para mantenerse con vida. Cada noche, cuando se acuestan, no tienen la certeza de que tendrán comida suficiente al día siguiente. Esta incertidumbre acerca de cuándo comerán de nuevo, es llamada “inseguridad alimentaria”.

El arroz es el alimento básico para la mitad de la población del planeta. Pese a su gran aporte calórico, es deficiente en muchos nutrientes básicos para el organismo, entre los que cabe destacar el β-caroteno, precursor de la vitamina A. El Arroz Dorado ha sido desarrollado por investigadores de varios países europeos. Este arroz transgénico rico en β-caroteno, podría evitar miles de casos de ceguera y de otras enfermedades causadas por falta de vitamina A en la dieta, pero todavía no se ha aprobado su comercialización.

El maíz es el cultivo de primera necesidad más extendido en África, sin embargo, se ve muy afectado por frecuentes sequías, lo que lleva a rendimientos promedio casi siete veces inferiores a los de otros países desarrollados. El objetivo del denominado “maíz de eficiencia hídrica para África” (WEMA, por sus siglas en inglés) es la obtención de maíz resistente a sequías mediante fitomejoramiento convencional e ingeniería genética. Ha sido desarrollado por la Fundación para la Tecnología Agrícola de África, el Centro Internacional para el Mejoramiento del Maíz y el Trigo (CIMMYT), Monsanto y los sistemas nacionales de investigación agrícola de Kenia, Tanzania, Mozambique, Sudáfrica y Uganda. Está previsto que las variedades convencionales estén disponibles en torno a 2014, y las variedades transgénicas en el 2017.

Lorena Bordanaba


Bibliografía

• Prow TW, Chen X, Prow NA, Fernando GJ, Tan CS, Raphael AP, Chang D, Ruutu MP, Jenkins DW, Pyke A, Crichton ML, Raphaelli K, Goh LY, Frazer IH, Roberts MS, Gardner J, Khromykh AA, Suhrbier A, Hall RA, Kendall MA. Nanopatch-targeted skin vaccination against West Nile Virus and Chikungunya virus in mice. (Small 2010)
• Ye X, Al-Babili S, Klöti A, Zhang J, Lucca P, Beyer P, Potrykus I. Engineering the provitamin A (beta-carotene) biosynthetic pathway into (carotenoid-free) rice endosperm (2000 Science)
• http://www.fao.org/index_es.htm

El conocimiento de las bases moleculares implicadas en algunos procesos patológicos como el cáncer, o simples características de interés como resistencia a patógenos en plantas es, en ocasiones, un proceso difícil de abordar de forma directa. Por ello se están desarrollando otras metodologías que permitan aproximarnos a a estos problemas de una forma indirecta. En base a estas premisas surgen los marcadores moleculares.

Un marcador es un carácter o un gen que puede usarse para indicar la presencia de otro gen, de forma que la expresión de un característica implica la presencia de otra. Teniendo en cuenta esta cualidad los marcadores permiten el estudio de poblaciones de organismos en los cuales poder seleccionar características de interés que no necesariamente deben estar expresándose en el momento de estudio.

Existen marcadores morfológicos, esto son caracteres de un individuo que se expresan en un ambiente específico y que permiten la selección de estos individuos en función del interés. Este tipo de marcadores son utilizados para analizar variación morfológica. Al basarse en características morfológicas que son expresadas por el individuo, estas suelen estar muy influidas por el ambiente en el que se desarrollan. Esto trae como resultado, que los marcadore morfológicos sean muy dependiente de las condiciones ambientales, restringiendo las posibilidades de estudio y análisis, ya que una misma característica puede generarse en distintos ambientes, y un mismo ambiente puede dar respuestas distintas en función del individuo.

Existen, sin embargo, otro tipo de marcadores que permiten estudiar el producto de la expresión de un determinado gen, de forma cuantificable u observable, con un sistema de detección fácil: los llamados marcadores moleculares. A diferencia de los marcadores morfológicos, éstos pueden usarse desde los inicios del desarrollo de un organismo y no hay que esperar al estado adulto del individuo. Pueden realizarse estudios de marcadores bioquímicos analizando proteínas, resultado de la expresión de un gen determinado. Un ejemplo de este tipo de marcador lo constituyen las isoenzimas, es decir, distintas variantes moleculares de una misma enzima presentes en una especie, las cuales desarrollan la misma actividad pero pueden tener distintas propiedades como la carga eléctrica, característica que sirve para diferenciarlas por técnicas como la electroforesis.

Una alternativa cada vez más utilizada a estos estudios son los marcadores de ADN, los cuales permiten el estudio directo del ADN a través de distintas técnicas como Southern blot o PCR. A diferencia de los estudios bioquímicos, estas técnicas son de un coste más elevado, necesitan un equipo más sofisticado y un control del ambiente en el que se realizan. Sin embargo, son marcadores universales, muy abundantes, específicos de cada individuo y están presentes en cualquier estadio de desarrollo.

La elección del tipo de marcador es muy importante a la hora de realizar un estudio ya que cada uno aporta distinta información y requiere unas técnicas, por tanto, debe hacerse en base a criterios como los objetivos, las necesidades del trabajo y las condiciones disponibles para el trabajo en el laboratorio.

María García Álvaro

Grafeno, un concepto que representa el impacto de una estructura molecular de carbono que desde que fue descrita, se ha situado en el ojo del huracán de miles de estudios científicos que abarcan campos tan diversos que van desde la electrónica, hasta la ingeniería de tejidos. Este material es igual en composición a los ampliamente descritos nanotubos de carbono, pero con la peculiaridad de conformar una estructura en 2D del grosor de un único átomo. Debido a su estructura hexagonal plana, posee una serie de propiedades que lo convierten en uno de los materiales más prometedores del siglo XXI.

Podríamos hablar de las numerosas aplicaciones del grafeno en la elaboración de transistores o su implicación en ingeniería de materiales, pero vamos a focalizar nuestra atención en la multitud de posibles aplicaciones en biomedicina que presenta, concretamente, en sistemas de vehiculización de fármacos o “drug delivery”. Fue en 2008 cuando el grupo de Hongje Dai en la universidad de Standford planteó el empleo de este material como portador de fármacos, debido al éxito previo que habían tenido los nanotubos de carbono. Inicialmente se centraron en el estudio de las nanopartículas de óxido de grafeno (NGO), las cuales poseían las propiedades idóneas para la unión y transporte de moléculas terapéuticas. Para poder usar estas partículas en ensayos farmacológicos era necesario adaptarlas a entornos biológicos, es decir, incrementar su solubilidad y compatibilidad en las soluciones características de los organismos vivos. Para ello el NGO se funcionalizó adicionándole moléculas de polietilénglicol (PEG), un compuesto muy utilizado en farmacología, lo cual permitía la obtención de láminas de NGO PEGiladas que eran solubles en diferentes buffers y suero. Se hicieron ensayos con fármacos anticancerígenos insolubles como el SN38 y doxorubicina demostrándose una gran capacidad de carga de fármaco, el cual era expuesto en la amplia superficie de las láminas de NGO-PEG.

Estudios posteriores permitieron analizar el comportamiento in vivo del NGO-PEG también en terapia anticancerígena. En este caso la clave es la fototerapia térmica, que es posible gracias a gran absorción que presenta el NGO-PEG en longitudes de onda del infrarrojo cercano (NIR). La potencialidad de este sistema reside en que una vez en el interior de la célula es posible irradiar el tejido, de forma que el calor generado sólo en las células que hayan incorporado la molécula va a desencadenar la muerte de las mismas. En estos estudios se observó que la tasa de incorporación pasiva por las células tumorales era sorprendentemente elevada, lo cual demuestra su posible aplicación en terapia contra el cáncer.

Pero el grafeno no sólo presenta estas aplicaciones en biomedicina, se ha demostrado que mejora la adherencia de osteoblastos y células mesenquimales, lo cual pone de manifiesto su utilidad en ingeniería tisular. Por otro lado también se han descrito nuevas matrices basadas en grafeno para espectrometría de masas, biosensores, y ha sido posible desarrollar novedosos sistemas de secuenciación de DNA miniaturizados empleando este material.

Como hemos podido ver, hasta el momento sólo se conoce la punta del iceberg de la potencialidad de aplicaciones de este nuevo material, el cual sin duda permitirá grandes avances en biomedicina en los próximos años.

Nuria Roldán López

Referencias

• Dong XL, Cheng JS, Li JH, Wang YS. Graphene as a novel matrix for the analysis of small molecules by MALDI-TOF MS. Anal. Chem. 82, 6208–6214 (2010).
• Kalbacova M, Broz A, Kong J, Kalbac M: Graphene substrates promote adherence of human osteoblasts and mesenchymal stromal cells. Carbon 48, 4323–4329 (2010).
• Liu Z, Robinson JT, Sun XM, Dai HJ: PEGylated nanographene oxide for delivery of water-insoluble cancer drugs .J. Am. Chem. Soc. 130, 10876–10877 (2008).
• Liu Y, Yu DS, Zeng C, Miao ZC, Dai LM: Biocompatible graphene oxide-based glucose biosensors. Langmuir 26, 6158–6160 (2010).
• Yang K, Zhang S, Zhang G, Sun X, Lee ST, Liu Z. Graphene in mice: ultrahigh in vivo tumor uptake and efficient photothermaltherapy. Nano Lett. 10(9):3318-23 (2010).

A finales del siglo XIX Emil Adolf von Behring y Shibasaburo Kitasato describieron por primera vez la actividad de los anticuerpos en sus experimentos con difteria y toxina tetánica. Descubrieron cómo existía unas moléculas en la sangre capaces de identificar componentes bacterianos (toxinas) y probablemente proteger al organismo con su acción. Paul Ehrlich, Almroth Wright, Michael Heidelberger y Oswald Avery, entre otros científicos, se dedicaron durante los siguientes años a investigar sobre los anticuerpos, hasta que en 1920 se descubrió su naturaleza proteíca. A partir de ese momento, los estudios se centraron en el desarrollo de modelos que explicaran la interacción de estas proteínas con los antígenos diana, siendo una teoría muy aceptada la Teoría de Llave-Cerradura de Linus Pauling. En 1948, Astrid Frageaus descubrió que las células que llevaban en su superficie estas moléculas eran los linfocitos B, unas células pertenecientes al sistema inmunológico. En los años sesenta, investigadores como Gerald Edelman, Rodney Porter, Thomas Tomasi, Kikishige Ishizaka y otros, se dedicaron a la caracterización de la estructura de la molécula y a la clasificación de los diferentes isotipos.

Fue en 1975 cuando César Milstein y Georges J. Köhler inventan un método de producción de anticuerpos monoclonales; por ello se les concedió el Premio Nobel en Fisiología o Medicina de 1984. De ahí hasta la actualidad, los anticuerpos han sido estudiados a todos los niveles, y es que son unas proteínas capaces de reconocer antígenos o simplemente moléculas diana con altísima especificidad. Esto ha sido muy útil en el entendimiento de gran cantidad de enfermedades (por ejemplo, la alergia); así como en el diagnóstico de otras tantas (por ejemplo, lupus) e incluso en los últimos tiempos como terapia para combatir patologías (por ejemplo, el asma bronquial). Como la moda científica plantea, los anticuerpos han sido estudiados a nivel de ADN y modificados con ingeniería genética para su conocimiento completo y sus posibles usos. Son unas proteínas con un futuro muy prometedor por sus interesantes aplicaciones en el tratamiento de enfermedades.

Debido a las características de estas proteínas y a que disponemos de técnicas para el diseño de moléculas que jamás habríamos imaginado, era de esperar que se buscaran moléculas sintéticas con la especificidad de los anticuerpos pero con modificaciones estructurales adecuadas a múltiples fines, los llamados “Antibody mimetics”, un paso adelante en la versatilidad de los anticuerpos. El elenco de mimetizadores abarca proteínas de pequeño tamaño, ácidos nucleicos y otras moléculas pequeñas. Estas sustancias sintéticas suelen presentar mejor solubilidad, mayor penetración en los tejidos, más estabilidad frente a degradación con enzimas y menores costes de producción, por lo que no es de extrañar que haya originado grandes expectativas para la utilización en terapias y diagnóstico de enfermedades.

Un ejemplo concreto de “Antibody mimetics” son los “Affibodies”. Estas son unas proteínas desarrolladas por una empresa de biotecnología sueca, Affibody AB. Su diseño se basa en la región de los anticuerpos capaz de reconocer al antígeno, concretamente del dominio Z de la proteína A (de Staphylococcus aereus). Estos se producen con sistemas de expresión in vivo o mediante síntesis química. Una de sus grandes ventajas es tu tamaño de 6 KDa frente a un anticuerpo de aproximadamente 150 KDa. Son capaces de resistir temperaturas muy altas y pH extremos. Algunas aplicaciones de estos podría ser como marcador del receptor HER2/neu muy expresado en los canceres de mama.

Ana Victoria Marín Marín, Mario López Manzaneda, Sergio López Manzaneda