N.59 – Aportes bioingenieriles y bioinformáticos

La presente reseña comprende ocho (8) artículos referidos a aportes de la Bioingeniería y la Bioinformática para una creciente precisión y personalización en diagnóstico y terapia del cáncer. Los sucesivos artículos se refieren a: (1) fotosensibilizadores inyectables para terapia fotodinámica del cáncer, (2) vacuna de neoantígeno personal que estimula una respuesta inmune duradera frente a diversos tipos de cáncer, (3) microbloques modulares huecos de microgel para la reparación de tejido, (4) herramienta de computación para diferenciar entre datos provenientes de células cancerosas y células normales en grandes conjuntos de datos de secuenciación de ARN, (5) software de realidad virtual permite “caminar” dentro de las células, (6) Prototipo de test para predecir resistencia a inmunoterapia contra melanoma metastásico, (7) Mejora de la inmunidad antitumoral mediante un “super-ejército” de ADN modificado, y (8) Detección de cáncer mediante análisis de orina.

1.- Primer artículo: Fotosensibilizadores inyectables para terapia fotodinámica del cáncer (Referencias 1.1. y 1.2)

Como modalidad de tratamiento del cáncer, la terapia fotodinámica (TFD) comprende sucesivas sesiones en las que se inyecta un fotosensibilizador que se acumula en las células cancerosas, de manera que éstas se destruyan selectivamente cuando –posteriormente- se las irradia con láser. Este método exhibe muchos menos efectos secundarios que los tratamientos típicos como la quimioterapia general o la radioterapia, que frecuentemente dañan al tejido sano cercano a las células cancerosas.

El artículo aquí reseñado se refiere a una nueva tecnología fotosensibilizante – que –mediante una única inyección- aumenta sustancialmente la eficacia en la eliminación de células cancerosas y reduce significativamente los efectos secundarios. Dicha tecnología fue desarrollada por el equipo de investigación del Korea Institute of Science and Technology (KIST) con el liderazgo de Sehoon Kim del Theragnosis Research Center, con base en una investigación colaborativa entre equipos de la Seoul National University y de la Korea University. La teragnosis (“theragnosis”) se refiere a estrategias que combinan terapéutica y diagnosis en el tratamiento de enfermedades.

En resumen, el fotosensibilizador basado en péptidos activa los efectos fototerapéuticos solo en el tejido canceroso, mediante el empleo de un péptido RGD internalizante (iRGD), que ingresa selectivamente y se dirige a los tejidos cancerosos en combinación con la modulación de su reacción -en tiempo real- a la luz. Una vez que comienza la fototerapia, sólo puede destruir las células cancerosas, sin afectar el tejido normal circundante.

El artículo concluye señalando que se ha desarrollado un agente fototerapéutico de péptido dirigido al cáncer que -cuando se inyecta in vivo-forma un depósito a través del autoensamblaje supramolecular sin excipientes adicionales. Se prevé que dicho agente fototerapéutico será sumamente útil para permitir la fototerapia repetida a largo plazo sin toxicidad después de una sola inyección alrededor del tumor hasta la eliminación completa del cáncer. Surge así una nueva esperanza de curar el cáncer durante la década de 2020.

2.- Segundo artículo: Vacuna de neoantígeno personal que estimula una respuesta inmune duradera en pacientes afectados por cáncer (Referencias 2.1. y 2.2.)

Las vacunas de neoantígenos personales se han concebido como un enfoque eficaz para inducir, amplificar y diversificar las respuestas de células T antitumorales.

El artículo reseñado, de investigadores del Dana-Farber Cancer Institute, el Brigham and Women’s Hospital y el Broad Institute of MIT y Harvard, se refiere a una nueva vacuna de neoantígeno personal –denominada “tratamiento NeoVax”- que estimula una respuesta inmune duradera en pacientes afectados por diversos tipos de cáncer; como el melanoma. Se halló evidencia de que la respuesta inmune inicial dirigida se amplió a lo largo de los años para brindar a los pacientes una protección continua contra la enfermedad.

Para definir los efectos a largo plazo de esta vacuna, el equipo evaluó el resultado clínico y las respuestas inmunitarias de ocho (8) pacientes con melanoma en estadio IIIB / C o IVM1a / b resecado quirúrgicamente, con una mediana de casi 4 años después del tratamiento con NeoVax, una vacuna de péptido largo dirigida a hasta 20 neoantígenos personales por paciente (NCT01970358). Dichos pacientes habían sido sometidos a cirugía por melanoma avanzado, pero se consideró que tenían un alto riesgo de recurrencia. Cuatro años después de ser tratados con NeoVax, los pacientes estaban todos vivos, y seis (6) de ellos no mostraban signos de enfermedad activa.

El equipo observó la persistencia a largo plazo de las respuestas de células T específicas del neoantígeno después de la vacunación, con detección ex vivo de células T específicas de neoantígeno que exhiben un fenotipo de memoria. También halló diversificación de clones de linfocitos T específicos de neoantígeno a lo largo del tiempo, con la aparición de clonotipos de múltiples receptores de linfocitos T que muestran distintas avideces funcionales. Además, detectaron evidencia de infiltración tumoral por clones de células T específicas de neoantígeno después de la vacunación y la propagación del epítopo, lo que sugiere la muerte de células tumorales inducida por la vacuna en el objetivo. Las vacunas de péptidos neoantígenos personales inducen así respuestas de células T que persisten durante años y amplían el espectro de citotoxicidad específica de tumores en pacientes con melanoma.

3.- Tercer artículo: Microbloques modulares huecos de microgel para la reparación de tejido (Referencias 3.1. y 3.2)

Si bien en la actualidad se usan implantes de biomateriales en ingeniería de tejidos y medicina regenerativa, no siempre es posible escalar sus componentes en tamaño o forma para ajustarse a las dimensiones requeridas, ni inducir las respuestas del tejido del huésped.

El artículo reseñado se refiere a la reparación de tejido duro o blando mediante microbloques modulares huecos (inspirados en los bloques de Lego) impresos en 3D, para implantes humanos. Los microbloques, con un tamaño del orden del milímetro cúbico, pueden ensamblarse en miles de posibles configuraciones diferentes para adaptarse a los más diversos requerimientos de espacio, tamaño y complejidad. Asimismo, al ser huecos, pueden llenarse con pequeñas cantidades de gel que contienen diversos factores de crecimiento que se colocan con precisión donde se necesitan. Ello estimula la generación y crecimiento del tipo correcto de células en el lugar correcto y en el momento adecuado.

El desarrollo de esta tecnología fue dirigido por Luiz Bertassoni, Ph.D., profesor asociado de ingeniería biomédica en la Facultad de Medicina de Oregon Health & Science University (OHSU), quien se asoció con colegas de la OHSU, Universidad de Oregon, Universidad de Nueva York y Universidad Mahidol en Tailandia para desarrollar y evaluar la tecnología.

Los integrantes del equipo prevén que esta tecnología 3D podría usarse para reparar huesos operados para el tratamiento de cáncer, para procedimientos de fusión espinal y para fortalecer huesos antes de un implante. Prevén también que el enfoque podrá usarse –en un futuro- para fabricar órganos para trasplantes humanos.

La investigación fue apoyada por el Instituto Nacional de Investigación Dental y Craneofacial, el Centro Nacional para el Avance de las Ciencias Traslacionales, el Centro de Recursos de Medicina Regenerativa del Centro de Recursos Michigan-Pittsburgh-Wyss y la Beca OHSU para la Diversidad e Inclusión en la investigación.

4.- Cuarto artículo: Herramienta de computación para diferenciar entre datos provenientes de células cancerosas y células normales en grandes conjuntos de datos de secuenciación de ARN (Referencias 4.1. y 4.2.)

Los tumores se han estudiado, históricamente, con todas las células presentes, muchas de las cuales no son cancerosas. La secuenciación de ARN unicelular permitió, en los últimos años, analizar tumores con una resolución mucho mayor, examinando la expresión genética de una única célula para desarrollar una imagen del paisaje tumoral, incluido el microambiente circundante. Sin embargo, al analizar grandes conjuntos de datos de secuenciación de ARN, no es fácil distinguir entre células cancerosas y células normales.

En un esfuerzo por abordar ese desafío, investigadores del Anderson Cancer Center de la University of Texas desarrollaron una nueva técnica computacional para diferenciar con precisión entre los datos de las células cancerosas y la variedad de células normales dentro de muestras tumorales. La nueva herramienta, denominada CopyKAT (cariotipo digital de número de copias de tumores aneuploides), permite examinar más fácilmente los complejos datos obtenidos de grandes experimentos de secuenciación de ARN de una única célula, que proveen datos de expresión génica de muchos miles de células individuales.

CopyKAT fue desarrollado como una herramienta para inferir información genética a partir de los datos del transcriptoma. Al aplicar esta herramienta a varios conjuntos de datos, se muestra que pueden identificarse, sin ambigüedades, con aproximadamente un 99% de precisión, las células tumorales frente a otras células presentes en una muestra de tumor mixto.

CopyKAT usa los datos de expresión genética para buscar aneuploidía o la presencia de números cromosómicos anormales, que es común en la mayoría de los cánceres. La herramienta también ayuda a identificar distintas subpoblaciones, o clones, dentro de las células cancerosas. Los autores señalan que la herramienta no es aplicable al estudio de todos los tipos de cáncer, ya que -por ejemplo- la aneuploidía es relativamente rara en cánceres pediátricos y hematológicos. La herramienta está disponible gratuitamente para los investigadores interesados.

5.- Quinto artículo: Nuevo software de realidad virtual permite “caminar” dentro de las células (Referencias 5.1. y 5.2.)

Un nuevo software de realidad virtual permite a los investigadores “caminar” por el interior de células individuales para comprender problemas fundamentales en biología y combatir enfermedades.

El software, llamado vLUME, fue creado por investigadores de la Universidad de Cambridge y la empresa de software de análisis de imágenes 3D Lume VR Ltd. Permite visualizar y analizar -en realidad virtual- datos de microscopía de superresolución, para estudiar desde proteínas a células enteras.

La microscopía de súper resolución permite obtener imágenes a nanoescala utilizando recursos de la física para sortear los límites impuestos por la difracción de la luz. Esto permite observar los procesos moleculares a medida que ocurren.

vLUME es un software de imágenes en nanoescala que permite visualizar e interactuar con datos biológicos 3D (por ejemplo, de neuronas, células inmunes o células cancerosas) en tiempo real, todo dentro de un entorno de realidad virtual, para encontrar respuestas a preguntas y explorar nuevas ideas. Es apto para cargar múltiples conjuntos de datos en gran escala, explorar, analizar, segmentarlos de nuevas formas, descartar rápidamente ciertas hipótesis, proponer otras nuevas y encontrar patrones en datos complejos utilizando algoritmos de agrupación integrados. Los datos y hallazgos pueden luego compartirse con colaboradores en todo el mundo utilizando funciones de imagen y video en el software.

6.- Sexto artículo: Prototipo de test para predecir resistencia a inmunoterapia contra melanoma metastásico (Referencias 6.1. y 6.2)

El melanoma metastásico (MM) es una enfermedad sumamente agresiva. Si bien las inmunoterapias mejoraron notablemente el tratamiento y las tasas de supervivencia de los pacientes con MM, más de la mitad de éstos no exhiben respuesta satisfactoria. Por tanto resulta prioritario identificar rápidamente a los pacientes que probablemente se beneficiarán con inmunoterapia y aquellos que deberán ser tratados con otros tipos de medicamentos.

Investigadores del Instituto de Investigación Médica de Queensland (QIMR) Berghofer (Australia) desarrollaron un prototipo de prueba que detecta los niveles de la proteína LC3B en las células cancerosas, lo cual puede ayudar a identificar la probabilidad de que pacientes con melanoma metastatizado se beneficien de la inmunoterapia. El estudio aquí reseñado encontró que los pacientes con niveles altos de LC3B en sus células tumorales tenían una supervivencia significativamente mayor debido a mejores respuestas al tratamiento de inmunoterapia que aquellos con niveles más bajos.

Los investigadores utilizaron muestras de sangre y de tumores recolectadas de pacientes antes y después del tratamiento para comprender mejor el papel de la proteína LC3B en el MM y para desarrollar la prueba del prototipo. También verificaron que los pacientes con melanoma metastásico tenían niveles muy altos de la enzima epigenética G9a (histona metiltransferasa), que actúa sobre la proteína LC3B. Los experimentos de laboratorio mostraron que la inhibición de la enzima G9a conduce a niveles más altos de proteínas LC3B para que el sistema inmunológico pueda volver a participar en la lucha contra el melanoma, tanto por sí solo como en combinación con otras opciones de tratamiento.

Estos resultados tienen implicaciones para el desarrollo de LC3B como un biomarcador predictivo del bloqueo del inhibidor de puntos de control para guiar la selección de pacientes, así como la inhibición de G9a como una estrategia para extender la proporción de pacientes que responden a la inmunoterapia.

El equipo trabaja ahora para desarrollar un fármaco que pueda inhibir eficazmente las enzimas G9a, de manera que, el bloqueo de la actividad de éstas, aumente -a su vez- el nivel de la proteína LC3B, de manera que los pacientes respondan mejor a la inmunoterapia y posiblemente incluso a otros tratamientos. Los investigadores planean expandir el estudio utilizando un conjunto más grande de muestras de pacientes para probar la solidez de la prueba del prototipo para predecir la resistencia a la inmunoterapia.

7.- Séptimo artículo: Mejora de la inmunidad antitumoral mediante “super-soldados” con ADN modificado (Referencias 7.1. y 7.2)

Investigadores del Princess Margaret Cancer Center han diseñado “super soldados” con ADN modificado para combatir el cáncer. El desarrollo consiste en transformar células T asesinas en “súper soldados” con capacidad sustancialmente potenciada para matar células cancerosas.

Sus resultados identificaron dos genes específicos que fueron activados por la terapia epigenética y que provocaron la mejorara sustancial de la capacidad de las células T para matar las células cancerosas. Las células T se convirtieron en una especie de ‘super soldados’, con moléculas altamente activadas, con mejores armas para destruir las células cancerosas.

El objetivo para el futuro es utilizar esta estrategia combinada con otras inmunoterapias para mejorar la inmunidad antitumoral.

Puede preverse un ensayo clínico futuro en el que se recolectan células T del paciente para su tratamiento con terapia epigenética en el laboratorio que potencia su capacidad de ataque al cáncer. Estas células pueden entonces volver a infundirse en el paciente, para mejorar potencialmente su respuesta inmunitaria al tumor.

8.- Octavo artículo: Detección de cáncer mediante análisis de orina (Referencias 8.1. y 8.2)

El análisis de orina ha sido, durante mucho tiempo, un elemento básico para detectar y controlar una serie de enfermedades y trastornos, pero no el cáncer. Alguna vez se sostuvo que los fragmentos de ADN en la orina se degradaban al azar y eran demasiado cortos para proporcionar información significativa sobre una enfermedad tan compleja como el cáncer.

Investigadores del Translational Genomics Research Institute (TGen), afiliado al City of Hope, y sus colegas de la Universidad de Baylor y el Hospital de Niños de Phoenix, encontraron que esos fragmentos de ADN no son aleatorios en absoluto y pueden indicar claramente una diferencia entre individuos sanos y aquellos con cáncer. Hallaron una forma de enfocarse en el cáncer en etapa temprana mediante el análisis de hebras cortas de ADN libre de células en la orina.

Al estudiar muestras de tejido de niños afectados por diversos tipos de cáncer, cuyas malignidades suelen avanzar extraordinariamente rápido, y de adultos con cáncer de páncreas, cuya detección temprana es fundamental, los investigadores mapearon los perfiles de fragmentación del ADN en orina. Descubrieron que ciertas regiones del genoma están protegidas de la fragmentación en la orina de individuos sanos, pero las mismas regiones están más fragmentadas en pacientes con cáncer.

Si los resultados del estudio se concretan, la tecnología de análisis de orina sería un avance notable en la detección de diversos tipos de cáncer, especialmente en el de páncreas. Si bien los primeros resultados son prometedores, los investigadores indican la necesidad de probar sus hallazgos en grandes poblaciones de pacientes con cáncer e identificar diferencias entre hombres y mujeres, jóvenes y ancianos, y aquellos con comorbilidades, como diabetes y otras enfermedades crónicas.

Esta línea de trabajo proporciona un camino potencialmente dinámico para el diagnóstico temprano del cáncer, dado que la orina es una de las muestras más fáciles de recolectar.