Materiales inteligentes

Bioforge es un grupo de investigación de la Universidad de Valladolid cuya peculiaridad es que es especialmente multidisciplinar e interdepartamental, al integrarlo profesionales del campo de la Física, la Química y de la Biología. «Las claves del trabajo se centran en haber sabido aunar a profesionales de disciplinas que habitualmente no trabajaban juntos hasta ahora y unificar 'idiomas' e ideas de cada uno de ellas», asegura el coordinador del grupo y profesor de Física de la Materia Condensada, José Carlos Rodríguez Cabello. Este equipo desarrolla y promociona proyectos de investigación en las áreas de ciencia de materiales, bionanotecnología, biomedicina, biotecnología, medioambiente y tecnología química.

Los proyectos que llevan a cabo se pueden encuadrar dentro de tres áreas distintas. Por un lado está el campo de la nanomedicina, es decir, el uso de sistemas de dimensiones pequeñísimas, nanométricas, para desarrollar terapias avanzadas. Uno de estos trabajos se centra en la liberación controlada de determinadas sustancias activas. Se trata de nuevas formas de administrar fármacos, en su sentido más amplio (no solo los compuestos químicos que tradicionalmente lo integran, sino también material genético, terapias génicas, hormonas, proteínas funcionales...), que pueden tener una actividad terapéutica, pero que no dan la imagen clásica de una molécula con una fórmula química, como la aspirina o un antiinflamatorio. «Nuestros sistemas se encargan de transportar esos principios activos al lugar preciso del cuerpo donde se necesitan, por ejemplo, en el caso de una terapia anticancerosa, y reducir así los efectos colaterales de toxicidad que puedan tener en el resto del organismo».

Se trata así de localizar la zona donde está el tumor, y que sea el propio dosificador del fármaco el que, por sus propiedades o composición, se cumule o actúe solo en la zona a tratar. Eso se consigue encapsulando ese principio activo en un contenedor (cápsula o cofre) que es precisamente el que tiene las propiedades de tender a acumularse en la zona enferma. Otro ejemplo: se sabe que en las zonas donde hay un tumor, el pH tiende a disminuir ligeramente respecto al tejido sano. «Lo que hacemos en este caso es diseñar un contenedor que es capaz de detectar ese cambio de pH que se produce en esa zona y responda al mismo liberando la carga». Es decir, funcionan como sensores».

El envoltorio se convierte así en una sustancia inteligente capaz de detectar en qué punto tiene que actuar liberando, mediante un mecanismo molecular, el contenido en el punto necesario. El material de partida con el que se fabrican dichas cápsulas son lo que tradicionalmente se han llamado materiales que cambian de propiedades cuando se modifica su entorno y entre ellos se encuentran los que están basados en materiales de tipo proteico, lo que garantiza que no haya toxicidad . «Uno de los pilares de la investigación del grupo es inspirarnos en las proteínas naturales para conseguir materiales más sofisticados y funcionales, aunque también los obtenemos mediante técnicas biotecnológicas para aprovechar la capacidad que tienen las células de producir y fabricar moléculas muy complejas».

Regeneración de tejidos

Una segunda línea de productos en la que trabajan es una evolución de los materiales inteligentes, pero aplicados en medicina regenerativa o ingeniería de tejidos. Actualmente, cuando un órgano pierde una función o hay una pérdida de tejidos por enfermedad o trauma, si el daño es demasiado grande y supera la capacidad de regeneración que tiene el organismo, la función se pierde y su capacidad de recuperación se reduce a la colocación de una prótesis, al trasplante o a mecanismos artificiales. «Nosotros estamos buscando materiales que ayuden y potencien esa capacidad de regenerarse del propio organismo y que los procedimientos quirúrgicos sean lo más simple y menos agresivo para el paciente.

Recurren de nuevo así al material inteligente que tiene la capacidad de cambiar de estado cuando se modifican los estímulos que recibe del exterior, para desarrollar estrategias terapéuticas en medicina regenerativa que sean mínimamente invasivas. Uno de los productos más exitosos en esta línea, y que ya ha sido patentado y se encuentra en vías de comercialización, es un material líquido a temperatura ambiente, que se solidifica como si de un gel se tratase a partir de los 37 grados, y que se inyecta en la cavidad afectada.

Así, las células implantadas, que se pueden extraer del propio paciente o pueden ser procedentes de bancos, comienzan a regenerar el tejido perdido sin necesidad de intervenciones quirúrgicas agresivas, envueltas en esta compleja sustancia, que consigue 'engañar' a las células para que estas sientan que están en un ambiente natural y no mueran. Pero las células son muy sensibles y si perciben que el entorno biológico no es el correcto, no funcionan y se mueren. Por ello, el material transportador tiene que ser lo suficientemente adecuado como para que cumplan su función. Para conseguirlo, los investigadores del Bioforge han diseñado una secuencia de ADN que incorporan a una bacteria. De esos genes sintéticos adheridos al microorganismo obtienen el material purificado a través de los extractos bacterianos, que después cultivan en el laboratorio para conseguir dicha sustancia. El material que utilizan para ello es un polipéptido, construido con aminoácidos naturales, que son los elementos con los que los seres vivos fabrican las proteínas. Así se producen unos materiales sintéticos que se parecen mucho a las proteínas naturales y consiguen que las células crean que se encuentran en su entorno natural.

De esta forma se crea un andamiaje temporal al que van sujetas las células pero a medida que esas crecen y se reproducen sustituyen dicho andamiaje por uno natural. El resultado final es un tejido nuevo, funcional y construido de forma natural por el organismo.

Hasta ahora se han aplicado estos materiales en los ensayos en animales, concretamente en conejos, para la regeneración de cartílago articular, con un buen resultado. Hueso y cartílagos son dos tejidos que sirven de punto de partida para la aplicación de esta técnica de regeneración, aunque también el grupo se encuentra inmerso en otro proyecto europeo que pretende usar esos materiales para la regeneración de vasos sanguíneos.

Al hilo de toda la expectación que se está creando en el campo de la medicina en torno a las terapias celulares, la producción y el uso de células como medicamentos y terapias, es importante resaltar que cuando se aplican a nivel experimental, en laboratorio, no hay problema, todo lo contrario que cuando se plantea una producción celular de forma industrial. En este caso, las restricciones de tipo reglamentarias y sanitarias, así como los controles, son muy estrictas. No hay que olvidar que estamos hablando de un medicamento. De ahí que el grupo se haya centrado en encontrar métodos de producción de células a gran escala respetando toda la regulación que exigen para ello los organismos y agencias competentes.

Células en buen estado

Pero hay un escollo que salvar. Para que las células se multipliquen y se expandan tienen que depositarse en una superficie, las placas de cultivo, ya que normalmente la mayoría de las células si no están adheridas a un soporte no proliferan. El problema es que hay que recolectarlas para enviarlas a su destino, el paciente, y eso no es fácil porque se encuentran muy adheridas. Actualmente, las técnicas que se utilizan para liberarlas de la placa de cultivo son de dos tipos: la recolección mecánica con una cuchilla de rasca, una técnica que supone matar la mitad de las células y las que quedan vivas pueden estar deterioradas o dañadas y por lo tanto no ser efectivas; o mediante la degradación enzimática, es decir se echa sobre ellas una enzima que se encarga de atacar las proteínas de la membrana celular que utiliza la célula para adherirse a la placa.Lo que ocurre es que este proceso no es selectivo, ya que ataca a todas las proteínas, y antes de implantar esas células en el paciente hay que demostrar que la enzima que se ha utilizado ha desaparecido, «y eso no es fácil desde el punto de vista de la normativa».

En este caso, el grupo trabaja en superficies inteligentes, es decir que sean adherentes ante un determinado estímulo y que se vuelvan antiadherentes en determinadas circunstancias lo que permite levantar las células. ¿Pero, cómo lo hacen? Sobre una placa de cultivo estándar injertan una capa finísima, casi invisible, de moléculas inteligentes, que se pegan químicamente, y esa capa es la que se encarga de dotar a la placa, fabricada de pioliestileno, de esa capacidad de adherirse o no. A 37 grados es adherente, y cuando baja a 15 se convierte en antiadherente, y en dos horas se pueden recolectar solas las células. Este sistema está patentado y ahora están en contacto con empresas interesadas en estas nuevas tecnologías que facilitan las terapias celulares.