Protrusion-tip antibody placement on a DNA origami nanoparticle enhances endothelial ICAM-1 targeting through glycocalyx: a single-donor microphysiological pilot study

Dentro del cuerpo humano, el revestimiento de cada vaso sanguíneo no es una pared lisa y desnuda. Está recubierto con una capa gruesa y de consistencia gelatinosa hecha de cadenas de azúcares y proteínas, conocida como glicocálix. Piense en esta capa como un denso bosque protector que crece directamente sobre la superficie de las células. Este bosque es vital para la salud; ayuda a regular el flujo sanguíneo y evita que las paredes de los vasos reaccionen ante cada partícula que pasa. Sin embargo, para los científicos que intentan entregar medicamentos o herramientas de diagnóstico al revestimiento del vaso, este bosque es un obstáculo formidable. Las partículas diminutas convencionales, sin importar cuán pequeñas o químicamente ajustadas sean, a menudo se quedan atrapadas en las ramas exteriores de este bosque de azúcar. No pueden alcanzar los receptores específicos en la superficie celular que se encuentran debajo, los cuales son los objetivos previstos para tratar la inflamación o detectar enfermedades de forma temprana.

Para resolver este problema, los investigadores han recurrido a un tipo único de estructura microscópica llamada origami de ADN. Así como el papel puede plegarse en formas complejas, largas hebras de ADN pueden programarse para plegarse en estructuras precisas y rígidas. Al diseñar estas estructuras con formas específicas, los científicos pueden posicionar moléculas exactamente donde sea necesario. En un estudio piloto reciente, los investigadores se plantearon una pregunta simple pero profunda: si una nanopartícula tiene un brazo largo y rígido que sobresale de ella, ¿permitirá colocar una molécula de direccionamiento en la punta misma de ese brazo que alcance mejor a través del bosque de azúcar que si esa misma molécula estuviera adherida directamente al cuerpo principal de la partícula?

El equipo, trabajando con las células de un solo donante, construyó una plataforma microscópica con forma de L. La base de la L era una plataforma plana, y extendiéndose desde ella había un único brazo rígido hecho de hebras de ADN agrupadas. Crearon dos versiones de este dispositivo. En la primera versión, unieron un anticuerpo —una proteína que busca un marcador específico llamado ICAM-1— en la punta misma del brazo largo. En la segunda versión, que sirvió como control, unieron el mismo anticuerpo exacto a la base plana de la L. Ambos dispositivos fueron recubiertos con una capa protectora para evitar que se adhirieran a cosas erróneas, y ambos fueron cargados con un tinte brillante para que los investigadores pudieran rastrearlos.

Estos dispositivos fueron introducidos en un modelo de laboratorio de un diminuto vaso sanguíneo humano, que estaba revestido con células vivas. Los investigadores probaron los dispositivos bajo diferentes condiciones. En algunos casos, dejaron las células en un estado sano y tranquilo. En otros, trataron las células con una señal química que imita la inflamación en etapa temprana, lo que provoca que el bosque de azúcar se adelgace ligeramente y hace que los marcadores objetivo sean más abundantes. El modelo de vaso sanguíneo se mantuvo en movimiento para simular el flujo natural de la sangre, y los investigadores observaron qué tan bien cada una de las dos versiones del dispositivo podía sujetarse a los marcadores objetivo en la superficie celular.

Los resultados mostraron una clara ventaja para el diseño con el brazo extendido. Cuando las células estaban en un estado saludable y basal con un bosque de azúcar completo, el dispositivo con el anticuerpo en la punta del brazo encontró los marcadores objetivo aproximadamente cinco veces más seguido que el dispositivo con el anticuerpo en la base plana. Incluso cuando las células estaban en un estado temprano de inflamación, donde el bosque de azúcar era ligeramente más delgado, el anticuerpo colocado en la punta funcionó aproximadamente dos veces mejor que el colocado en la base. La diferencia no fue solo una cuestión de cuánto se adhirió a las células; también fue una cuestión de velocidad. El dispositivo con el anticuerpo en la punta alcanzó su objetivo rápidamente, mientras que el dispositivo con el anticito en la base tardó mucho más en lograr un nivel de unión similar, lo que sugiere que estaba luchando por atravesar la barrera.

Los investigadores observaron que este efecto ocurrió a pesar de que el tamaño total de los dos dispositivos era el mismo y ambos portaban la misma cantidad de anticuerpo. La única diferencia fue la ubicación del anticuerpo. Esto sugiere que el brazo rígido actúa como un puente, permitiendo que el anticuerpo se extienda más allá de las capas externas del bosque de azúcar y toque la superficie celular directamente, mientras que el anticuerpo en la base plana permanece atrapado en las ramas exteriores. El estudio fue un experimento piloto que utilizó células de un solo donante, por lo que los hallazgos son una sólida prueba de concepto inicial más que una conclusión final para todos los seres humanos. Sin embargo, los datos indican claramente que la forma de una nanopartícula y la colocación precisa de sus herramientas de direccionamiento son factores críticos. Al mover la molécula de direccionamiento del cuerpo de la partícula al extremo de una protuberancia rígida, los científicos pueden haber encontrado una manera de sortear las defensas naturales de los vasos sanguíneos, abriendo un nuevo camino para la entrega de fármacos y diagnósticos en lugares que anteriormente estaban fuera de su alcance.