Biotecnología
Aprovechando las Estructuras de Rotaxano para Sistemas de Liberación de Próxima Generación en Medicina y Tecnología
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Entrega de Fármacos y Materiales Autorreparables con Rotaxano
Entregar moléculas en un punto preciso es una tarea muy difícil, pero es necesario para que muchos medicamentos, como los tratamientos contra el cáncer, funcionen. Hasta ahora, la mayoría de los sistemas de liberación se han limitado a la activación mediante interacciones químicas o han sufrido un bajo rendimiento. De manera similar, los materiales autorreparables necesitarían liberar el sistema de reparación cuando se exponen a estrés mecánico. Gracias a una nueva estructura molecular llamada rotaxano, descubierta por investigadores de la Universidad de Manchester, Reino Unido, ambas innovaciones podrían ser posibles.
¿Qué es un Rotaxano?
Los rotaxanos son moléculas entrelazadas, con una molécula circular (forma de dona) que tiene un polímero más largo pasando a través de su centro.
En el caso del descubrimiento de la Universidad de Manchester, utilizaron una molécula larga y compleja que es sensible a la fuerza mecánica.
A lo largo de la cadena de la molécula, ataron las llamadas “moléculas de carga” de interés, en azul en este esquema:
Fuente: Nature
Cuando se aplica fuerza al material, la parte en forma de dona de los rotaxanos empuja y libera las moléculas de carga.
Esto convierte a este modelo de molécula rotaxano en un detector perfecto de fuerza y mecanismos de liberación simultáneamente.
Fuente: Nature
Rotaxanos Mejorados
Una liberación química inducida por fuerza no es un concepto nuevo en sí mismo. Sin embargo, los sistemas anteriores estaban limitados en la cantidad de moléculas que podían liberar, con solo una molécula por detector de fuerza.
“Las fuerzas son omnipresentes en la naturaleza y juegan papeles fundamentales en varios procesos. Nuestro objetivo era explotar estas fuerzas para aplicaciones transformadoras, particularmente en la durabilidad de materiales y la entrega de fármacos.
“Aunque esto es solo un diseño de prueba de concepto, creemos que nuestro enfoque basado en rotaxano tiene un potencial inmenso con aplicaciones de gran alcance: estamos al borde de avances realmente notables en la atención sanitaria y la tecnología.” – Guillaume De Bo, Profesor de Química Orgánica en The University of Manchester
Alternativamente, se pueden usar estrategias de encapsulación física para entregar una carga mayor, pero a menudo están sujetas a liberaciones no deseadas no mecánicas.
El nuevo diseño de rotaxano puede, en cambio, liberar muchas moléculas a la vez (hasta 5) de forma controlada.
En la práctica, la liberación puede activarse mediante estrés mecánico (por ejemplo, un golpe o rasguño en la pantalla de un teléfono) o ultrasonido dirigido, lo que permite la liberación puntual de un fármaco solo en el sitio del tumor.
Otra limitación del sistema anterior era la restricción sobre los tipos de moléculas que podían liberarse, lo que los hacía inadecuados para fármacos innovadores.
Los investigadores han demostrado en su publicación científica en Nature que su sistema podría usarse para compuestos farmacéuticos, marcadores fluorescentes, catalizadores y monómeros, abriendo muchas aplicaciones potenciales.
Además, dicho sistema ofrece la posibilidad de liberar diferentes unidades de carga en una secuencia definida.
Aplicaciones de los Rotaxanos
Biotecnología
La aplicación más inmediata será en sistemas de entrega de fármacos. Actualmente, este campo está dominado por el creciente uso de conjugados anticuerpo-fármaco.
Gracias a la precisión de la terapia por ultrasonido, los sistemas de entrega basados en rotaxano podrían permitir la administración de fármacos solo en puntos específicos del cuerpo. El sistema ya ha sido probado para la entrega de doxorrubicina, un potente agente quimioterapéutico de amplio espectro.
Los resultados de investigación inicial demostraron una eficiencia de liberación del 71 % mediante ultrasonicación y del 65 % en la prueba con doxorrubicina.
Materiales Autorreparables
Muchos materiales, desde metales hasta plásticos, se beneficiarían de poder “autocurarse” cuando sufren estrés mecánico, grietas o impactos.
Dado que los rotaxanos que reaccionan a la fuerza mecánica lo hacen solo en el punto de estrés, podrían usarse para liberar sistemas de reparación justo en el lugar necesario, antes de que el daño se agrave.
Esto podría abrir la posibilidad de pantallas autorreparables, piezas metálicas o incluso concreto.
Las propiedades autorreparables no durarían para siempre, pero podrían mejorar significativamente la durabilidad de los materiales. Especialmente porque requeriría que los daños ocurran en el mismo punto dos veces, donde los rotaxanos ya estarían agotados, para que las propiedades de reparación fallen.
Sensores y Seguridad
Como este nuevo sistema de rotaxano también puede usarse para liberar marcadores fluorescentes (y potencialmente marcadores de color), podría servir como un “sistema de advertencia” para daños que de otro modo permanecerían invisibles. Esto podría ser muy útil para revelar estrés mecánico o fatiga metálica en estructuras y máquinas antes de que ocurra una rotura catastrófica.
Podría usarse igualmente para comprobar la integridad de un sello o contenedor, como en productos farmacéuticos o alimentarios.
Empresas de Rotaxano
Los rotaxanos son, por ahora, una clase experimental de moléculas que se producen y estudian mayormente en laboratorios. Sin embargo, algunas empresas están experimentando con materiales autorreparables y entrega de fármacos basada en ultrasonido.
1. EXACT Therapeutics (EXTX)
Esta startup biotecnológica está aprovechando sus terapias mediadas por acústica (Acoustic Cluster Therapy or ACT) para tratar el cáncer aumentando la absorción de quimioterapia por parte de las células cancerosas.
Fuente: Exact Therapeutics
La compañía está actualmente en fase 2 de ensayos clínicos para cáncer de páncreas y fase 1 para pacientes con metástasis hepáticas secundarias a cáncer colorrectal.
Actualmente utiliza microburbujas cargadas negativamente y microgotas cargadas positivamente, pero también podría usar rotaxanos en el futuro para una entrega de fármacos aún más concentrada y eficiente.
2. Arkema (AKE.PA)
La empresa francesa es un fabricante de productos químicos, creado como una escisión de la compañía petroquímica Total, centrado en adhesivos, recubrimientos y materiales avanzados, cada uno representando aproximadamente un tercio de la actividad total.
Notablemente, ha estado trabajando en elastómeros y cauchos autorreparables desde 2009.
La compañía está activa en muchas clases químicas y se utiliza en prácticamente todas las industrias.
Fuente: Arkema
La estrategia de Arkema es ser el proveedor líder en cada nicho que ocupa, siendo el # 1 al # 3 mundial en el 90 % de su portafolio.
Considerando la presencia establecida desde hace tiempo en materiales autorreparables y la valiosa propiedad intelectual de la empresa, podría convertirla en una candidata principal para desplegar tecnología comercial de rotaxano en el futuro.
3. Autonomic Materials
Fuente: Autonomic Materials
La empresa cotizada en bolsa se especializa en materiales autorreparables, especialmente recubrimientos contra la corrosión, con una amplia gama de aplicaciones e industrias.
Los químicos de recubrimiento de la compañía reaccionan tan pronto como aparece una microgrieta, evitando que el daño se propague. Si el daño es demasiado grande, también vuelve a sellar los bordes de la zona dañada, evitando la pérdida de adherencia y la posterior delaminación del recubrimiento.
La empresa afirma un rendimiento muy alto mientras también logra un nivel muy bajo de emisiones de COV (Compuestos Orgánicos Volátiles), algo que puede ser tóxico y causar problemas de seguridad en entornos industriales.
Fuente: Autonomic Materials
