Cuando un tumor logra 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 sus principales órganos: la barrera hematoencefálica, un filtro muy selectivo que solo deja pasar sustancias elegidas. La mayoría de los medicamentos no la atraviesan. Por eso, encontrar una quimioterapia efectiva contra los tumores cerebrales es un gran desafío para la medicina.
En los últimos años, la investigación médica ha encontrado un colaborador prometedor: la nanotecnología. Los materiales en el ámbito nanométrico pueden, por así decirlo, asumir el papel de carteros que entregan agentes terapéuticos a la dirección deseada. Dado que las nanopartículas son increíblemente pequeñas, aproximadamente 500 veces más pequeñas que el diámetro de un cabello humano, algunas logran atravesar las barreras del cuerpo sin dañarlas. Continuando con el ejemplo del tumor cerebral: las nanopartículas podrían transportar agentes quimioterapéuticos a través de la barrera hematoencefálica hacia el cerebro, donde podrían combatir el tumor cerebral.
Búsqueda del nanomaterial adecuado Sin embargo, las nanopartículas deben tener propiedades específicas según la tarea que deben cumplir: dependiendo de su forma, composición material y tamaño, se distribuyen de manera diferente en el cuerpo y se acumulan en diferentes órganos. Por lo tanto, es esencial determinar qué partículas realizan su tarea de la manera más efectiva posible y causan el menor daño. Hasta ahora, los investigadores han utilizado modelos animales, generalmente ratones, para investigar estas preguntas: administraban diferentes nanomateriales a los ratones y luego examinaban cómo se distribuían en el cuerpo del ratón y qué efectos secundarios tenían. Sin embargo, estos estudios con animales no solo son laboriosos, largos y costosos, sino también problemáticos desde un punto de vista ético. No en vano, la ley suiza de protección animal exige limitar el número de experimentos con animales al mínimo necesario.
Ratón IA con ventaja decisiva La investigadora de Empa, Jimeng Wu, doctoranda en los departamentos de «Nanomateriales en Salud» y «Tecnología y Sociedad», ha desarrollado un ratón virtual con el que estos ensayos pueden realizarse utilizando IA de manera mucho más eficiente en cuanto al tiempo. Para este llamado modelo farmacocinético basado en fisiología (modelo PBPK), Wu ha utilizado como base 18 estudios con ratones, es decir, datos de experimentos realizados por diferentes grupos de investigación con ratones «reales». Además, ha integrado un método estadístico, el análisis bayesiano con simulaciones de cadenas de Markov, en su modelo.
El resultado es un ratón virtual al que se pueden administrar nanopartículas, también virtuales. El modelo luego calcula su distribución en el cuerpo del ratón basándose en sus propiedades, como tamaño, recubrimiento y carga superficial. A diferencia de un modelo PBPK tradicional, que está calibrado solo para una sustancia única, el ratón 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 la debe la herramienta al «modelo de regresión lineal multivariante», un enfoque de aprendizaje automático.
Contribución a «Seguro y Sostenible por Diseño» «Esta herramienta de cribado basada en IA permite a los investigadores probar virtualmente qué tipos de nanopartículas son más adecuadas para una tarea determinada antes de fabricarlas siquiera», explica Jimeng Wu. Esto no solo ahorra tiempo, sino también costos, porque ofrece una herramienta de decisión antes de comenzar un costoso ensayo clínico.
«Con ello, el modelo contribuye al concepto de «Seguro y Sostenible por Diseño» (SSbD), complementa Peter Wick, quien acompaña a Jimeng Wu junto con su colega Bernd Nowack en su doctorado. Pues el ratón virtual aumenta la seguridad de nuevos materiales o terapias incluso antes de su desarrollo. Sin embargo, el investigador de Empa señala que el conjunto de datos con el que el modelo ha sido entrenado hasta ahora aún es muy pequeño: hasta ahora solo se han encontrado 18 artículos revisados por pares que tienen datos de calidad suficiente. «En muchos estudios, las propiedades de las nanopartículas utilizadas no se describen adecuadamente», señala. Ahora se trata de alimentar y verificar el ratón virtual con datos adicionales de estudios para aumentar aún más 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 el paciente y evitar lo más posible los experimentos con animales», enfatiza.
Hacer que el modelo sea útil para la investigación humana El trabajo futuro de investigación de Jimeng Wu también se dedicará a una llamada «estrategia puente» para trasladar el principio de su modelo in silico a la investigación humana. Para ello, planea incorporar los principios del ratón virtual en un modelo PBPK humano. A diferencia de su ratón IA, que solo calcula la distribución de nanopartículas en el hígado, los riñones, los pulmones y el bazo, un modelo in silico humano también podría usarse para investigar órganos objetivo sensibles, por ejemplo, para investigar en qué medida ciertas nanopartículas pueden superar la barrera hematoencefálica. También el tumor cerebral mencionado al principio podría ya no sentirse seguro detrás de esta barrera: las nanopartículas podrían llevarle, en su papel de «carteros», un paquete con una dosis específica de quimioterapia.
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