El tratamiento selectivo de enfermedades cerebrales como el Alzheimer, el Parkinson o los tumores cerebrales es un reto debido a que el cerebro es un órgano especialmente sensible a que está bien protegido. Por eso los investigadores buscan formas de administrar fármacos con precisión a través del torrente sanguíneo. El objetivo es superar la barrera hematoencefálica, que normalmente sólo permite el paso de determinados nutrientes y oxígeno.
Investigadores de la Escuela Politécnica Federal de Zúrich (ETH) han estudiado cómo unas minúsculas burbujas de gas pueden introducir fármacos en las células de forma selectiva mediante ultrasonidos. Por primera vez, han visualizado cómo diminutos chorros de líquido generados por microburbujas penetran en la membrana celular permitiendo la absorción del fármaco.
Las microburbujas que reaccionan a los ultrasonidos son un método especialmente prometedor para este tipo de terapia. Estas microburbujas son más pequeñas que un glóbulo rojo, están llenas de gas y llevan una capa especial de moléculas de grasa para estabilizarlas. Se inyectan en el torrente sanguíneo junto con el fármaco y luego se activan en el lugar de destino mediante ultrasonidos. El movimiento de acción de las microburbujas crea poros diminutos en la membrana celular de la pared del vaso sanguíneo a través de los cuales puede pasar el fármaco.
"Pudimos demostrar que bajo ultrasonidos, la superficie de las microburbujas pierde su forma, y se crean los microjets, que penetran en la membrana celular"
Hasta ahora no estaba claro cómo las microburbujas crean estos poros exactamente. Ahora, un grupo de investigadores de la ETH, dirigidos por Outi Supponen, profesor del Instituto de Dinámica de Fluidos, han podido demostrar por primera vez cómo funciona este mecanismo. "Pudimos demostrar que, bajo ultrasonidos, la superficie de las microburbujas pierde su forma, lo que da lugar a diminutos chorros de líquido, los llamados microjets, que penetran en la membrana celular", explica Marco Cattaneo, estudiante de doctorado de Supponen y autor principal del estudio, publicado recientemente en Nature Physics.
LÍQUIDOS A 200 KM/H
Hasta ahora nadie sabía cómo se formaban los poros de la membrana celular, porque las microburbujas miden apenas unos micrómetros de diámetro y vibran hasta varios millones de veces por segundo bajo ultrasonidos. Se trata de un proceso increíblemente difícil de observar y que requiere un montaje especial en el laboratorio. "Hasta ahora, la mayoría de los estudios han observado el proceso desde arriba con un microscopio convencional. Pero así no se ve lo que ocurre entre la microburbuja y la célula", explica Cattaneo. Por ello, los investigadores construyeron un microscopio con un aumento de 200x, que les permite observar el proceso desde un lado, y lo conectaron a una cámara de alta velocidad que puede tomar hasta diez millones de imágenes por segundo.
Para su experimento, imitaron la pared de un vaso sanguíneo utilizando un modelo in vitro, cultivando células endoteliales sobre una membrana de plástico. Colocaron esta membrana sobre una caja de paredes transparentes llena de una solución salina y un fármaco modelo, con las células hacia abajo como si fuera una tapa. La microburbuja llena de gas subió automáticamente a la parte superior y entró en contacto con las células. A continuación, las microburbujas se pusieron en vibración mediante un pulso de ultrasonidos de microsegundos de duración.
“Ahora tenemos una forma mejor de observar las microburbujas y podemos describir con más precisión la interacción célula-microburbuja"
"A una presión ultrasónica suficientemente alta, las microburbujas dejan de oscilar de forma esférica y empiezan a remodelarse en patrones regulares no esféricos", explica Supponen. Los "lóbulos" de estos patrones oscilan cíclicamente, empujando hacia dentro y hacia fuera. Los investigadores descubrieron que, por encima de una determinada presión ultrasónica, los lóbulos plegados hacia dentro pueden hundirse tanto que generan potentes chorros que atraviesan toda la burbuja y entran en contacto con la célula.
Estos microchorros se mueven a una increíble velocidad de 200 km/h y son capaces de perforar la membrana celular como un pinchazo certero sin destruir la célula. Este mecanismo de chorro no destruye la burbuja, lo que significa que en cada ciclo de ultrasonidos puede formarse un nuevo microchorro. "Un aspecto intrigante es que este mecanismo de expulsión se activa a bajas presiones de ultrasonidos, en torno a 100 kPa", afirma Supponen. “Esto significa que la presión ultrasónica que actúa sobre las microburbujas, y por tanto sobre el paciente, es comparable a la presión atmosférica del aire que nos rodea todo el tiempo" añade.
Los investigadores del grupo de Supponen no sólo realizaron observaciones visuales, sino que también aportaron explicaciones utilizando una serie de modelos teóricos diferentes. Pudieron demostrar que los microchorros son, con diferencia, los que más daño pueden causar, por encima de los muchos otros mecanismos que se han propuesto en el pasado, lo que respalda firmemente la observación de los investigadores de que la membrana celular sólo se perfora cuando se genera un microchorro. Cattaneo afirma: "Con nuestra configuración de laboratorio, ahora tenemos una forma mejor de observar las microburbujas y podemos describir con más precisión la interacción célula-microburbuja". Este sistema también puede utilizarse para investigar, por ejemplo, cómo reaccionan a los ultrasonidos las nuevas formulaciones de microburbujas desarrolladas por otros investigadores.
"Nuestro trabajo aclara los fundamentos físicos de la administración dirigida de fármacos mediante microburbujas y nos ayuda a definir criterios para su uso seguro y eficaz", comenta Supponen. Esto significa que la combinación adecuada de frecuencia, presión y tamaño de las microburbujas puede ayudar a maximizar el resultado de la terapia, garantizando al mismo tiempo una mayor seguridad y un menor riesgo para los pacientes. "Además, hemos podido demostrar que bastan unos pocos pulsos de ultrasonidos para perforar una membrana celular. Esto también es una buena noticia para los pacientes", concluye Supponen.