Si un tumor ha logrado asentarse en el cerebro de un ser vivo, lo ha hecho de manera particularmente astuta desde el punto de vista del tumor. Se ha escondido detrás de una de las barreras más poderosas con las que el cuerpo protege a sus órganos más importantes: la barrera hematoencefálica, un filtro muy selectivo que solo permite el paso de sustancias específicas. La mayoría de los medicamentos no pertenecen a este grupo. Para la medicina, encontrar una quimioterapia efectiva contra los tumores cerebrales es un gran desafío.
En los últimos años, la investigación médica ha encontrado un aliado prometedor: la nanotecnología. Materiales a nivel nanométrico pueden, en términos figurativos, asumir el papel de carteros que entregan principios activos a la dirección deseada. Dado que las nanopartículas son extraordinariamente pequeñas — aproximadamente 500 veces más pequeñas que el diámetro de un cabello humano—, algunas pueden atravesar las barreras protectoras del cuerpo sin dañarlas. Siguiendo con el ejemplo del tumor cerebral, las nanopartículas podrían transportar principios activos quimioterapéuticos a través de la barrera hematoencefálica al cerebro, donde pueden combatir el tumor cerebral.
Búsqueda del nanomaterial adecuado
Sin embargo, las nanopartículas deben poseer características muy específicas según la tarea que
deben cumplir: dependiendo de la forma, composición material y tamaño, se distribuyen de manera
diferente en el cuerpo y se acumulan en diferentes órganos. Por tanto, es crucial determinar qué
partículas pueden desempeñar mejor su función sin causar daño. Hasta ahora, los investigadores
han utilizado modelos animales, principalmente ratones, para investigar estas preguntas:
administraban diversos nanomateriales a los ratones y luego examinaban cómo se distribuían en el
cuerpo de los ratones y qué efectos secundarios presentaban. Estos estudios en animales no solo
son costosos, largos y complejos, sino que también son problemáticos desde el punto de vista ético.
No en vano, la ley suiza de protección animal exige limitar la cantidad de experimentos con animales
al mínimo necesario.
Ratón de IA con ventaja decisiva
La investigadora de Empa Jimeng Wu, doctoranda en los departamentos de «Nanomateriales en
Salud» y «Tecnología y Sociedad», ha desarrollado por esta razón un ratón virtual con el cual realizar
estas pruebas de manera mucho más rápida utilizando IA. Para este modelo farmacocinético
fisiológicamente basado (modelo PBPK), Wu tomó 18 estudios realizados en ratones como base, es
decir, datos de pruebas de varios equipos de investigación en ratones «reales». Adicionalmente,
integró en su modelo un procedimiento estadístico, el análisis bayesiano con simulaciones de Monte
Carlo de cadenas de Markov.
El resultado es un ratón virtual al que se le pueden administrar nanopartículas también virtuales. A continuación, el modelo calcula su distribución en el cuerpo del ratón según sus propiedades como tamaño, recubrimiento y carga superficial. Frente a un modelo PBPK tradicional, que está calibrado solo para una sustancia específica, el ratón de IA de Wu tiene una ventaja decisiva: «El modelo puede ajustar sus parámetros a las propiedades mensurables de cada nanopartícula», explica Jimeng Wu. Esta capacidad se debe a la herramienta del «modelo de regresión lineal multivariada», un enfoque del aprendizaje automático.
Contribución a
«Seguro y Sostenible desde el Diseño»
«Esta herramienta de cribado asistida por IA permite a los investigadores probar de manera virtual
qué tipo de nanopartículas son las más adecuadas para una tarea determinada antes de fabricar
dichas partículas», explica Jimeng Wu. Esto no solo ahorra tiempo, sino también costos, ya que
ofrece ayuda para la toma de decisiones antes de iniciar un estudio clínico costoso.
«El modelo contribuye así al concepto de «Seguro y Sostenible desde el Diseño» (SSbD)», añade Peter Wick, quien junto a su colega Bernd Nowack acompaña a Jimeng Wu en su doctorado. Porque el ratón virtual aumenta la seguridad de nuevos materiales o terapias incluso antes de su desarrollo. Sin embargo, el investigador de Empa advierte que el conjunto de datos con el que se ha entrenado el modelo hasta ahora es aún muy pequeño: hasta el momento solo se han encontrado 18 «papers revisados por pares» cuya calidad de datos ha sido suficiente. «En muchos estudios, las propiedades de las nanopartículas utilizadas no se describen adecuadamente», señala. Ahora es necesario alimentar al ratón virtual con datos de estudios adicionales y verificarlo para aumentar la fiabilidad de las predicciones. «Nuestro objetivo a largo plazo es acortar el proceso de desarrollo de materiales nanomédicos hasta su aplicación como medicamento en la paciente o en el paciente, evitando en la medida de lo posible los experimentos con animales», enfatiza.
Hacer el modelo utilizable
para la investigación humana
El trabajo de investigación futuro de Jimeng Wu también se centrará en una llamada «estrategia de
puente» para aplicar el principio de su modelo in silico a la investigación humana. Con este fin,
planea integrar los principios del ratón virtual en un modelo PBPK humano. A diferencia de su ratón
de IA, que solo calcula la distribución de nanopartículas en hígado, riñones, pulmones y bazo, un
modelo in silico humano también podría utilizarse para estudiar órganos diana sensibles —por
ejemplo, para investigar en qué medida ciertas nanopartículas pueden superar la barrera
hematoencefálica. También, el tumor cerebral mencionado al principio ya no se sentiría seguro detrás
de esta barrera, ya que las nanopartículas podrían entregar un paquete con una dosis objetivo de
quimioterapia como «carteros».
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