En el mundo de la medicina moderna, pocas tecnologías despiertan tanta esperanza y abren tantas posibilidades como CRISPR, la revolucionaria herramienta de edición genética. La capacidad de "escribir" y "borrar" con precisión el código genético ofrece el potencial de erradicar enfermedades hereditarias, combatir el cáncer y tratar afecciones que hasta hace poco se consideraban incurables. Sin embargo, a pesar de su inmensa promesa, la aplicación completa de esta tecnología se enfrenta a un obstáculo fundamental: la entrega segura y eficaz del mecanismo CRISPR a las células diana en el cuerpo humano. Ahora, un equipo de químicos de la Universidad Northwestern ha desarrollado una nanoestructura innovadora que podría ser la clave para desbloquear todo el potencial terapéutico de CRISPR.

El obstáculo que frena la revolución médica

Para que el sistema CRISPR pueda realizar su tarea —ya sea silenciar un gen defectuoso, reparar una mutación o insertar nuevo material genético—, sus componentes clave deben llegar intactos al lugar correcto. Estos componentes incluyen la enzima Cas9, que funciona como unas tijeras moleculares, un ARN guía (ARNg) que dirige estas tijeras a la ubicación exacta dentro del genoma, y a menudo una plantilla de ADN para la reparación que la célula utiliza como patrón para la corrección. El problema es que esta compleja carga molecular no puede penetrar la membrana celular por sí sola. Necesita un vehículo de reparto.

Actualmente, los dos métodos de entrega más utilizados en investigación y ensayos clínicos son los siguientes. El primero son los vectores virales modificados. Los virus, por su naturaleza, son extremadamente hábiles para introducir su material genético en las células, lo que los convierte en "mensajeros" muy eficientes. Sin embargo, su uso conlleva riesgos significativos. Pueden provocar una fuerte respuesta inmunitaria del organismo, lo que puede dar lugar a peligrosas reacciones inflamatorias. También existe el temor de una integración no deseada del ADN viral en el genoma del paciente, lo que podría tener consecuencias impredecibles a largo plazo.

La segunda alternativa, más segura, son las nanopartículas lipídicas (NPL). Se trata de diminutas burbujas de grasa que pueden envolver y proteger los componentes de CRISPR. Precisamente esta tecnología se hizo mundialmente famosa porque se utiliza para administrar ARNm en las vacunas contra la COVID-19. Aunque son considerablemente más seguras que los virus, las partículas NPL son bastante ineficaces. Una gran parte de ellas nunca llega a las células diana, y las que lo consiguen a menudo quedan atrapadas dentro de compartimentos celulares llamados endosomas. Es difícil que la carga se libere de estas "prisiones celulares", lo que significa que solo un pequeño porcentaje del mecanismo CRISPR llega finalmente al núcleo celular, donde debe realizar su trabajo.

Una solución revolucionaria: Ácidos nucleicos esféricos recubiertos de lípidos

Para superar estas deficiencias, un equipo liderado por el pionero en nanomateriales Chad A. Mirkin de la Universidad Northwestern ha desarrollado un tipo de nanoestructura completamente nuevo. La han llamado nanopartícula lipídica de ácido nucleico esférico, o LNP-SNA por sus siglas en inglés. Estas estructuras representan un híbrido que combina lo mejor de ambos mundos: la seguridad de las NPL y las capacidades avanzadas de los ácidos nucleicos esféricos (ANE), una tecnología previamente inventada y desarrollada por el laboratorio de Mirkin.

La base de la LNP-SNA es un núcleo de nanopartícula lipídica, dentro del cual se empaqueta de forma segura el conjunto completo de herramientas para CRISPR: enzimas Cas9, ARN guía y la plantilla de ADN. La innovación clave reside en lo que se encuentra en la superficie. El núcleo está densamente recubierto de cadenas cortas de ADN especialmente diseñadas, que forman una estructura esférica y tridimensional. Esta envoltura de ADN tiene un papel múltiple y crucial. En primer lugar, actúa como un escudo que protege la valiosa carga de la degradación en el torrente sanguíneo. En segundo lugar, y más importante, esta envoltura se comunica activamente con las células. Las células tienen receptores en su superficie que reconocen el ADN, por lo que "absorben" las partículas LNP-SNA de forma mucho más fácil y activa hacia su interior. Además, las secuencias de ADN en la envoltura se pueden adaptar con precisión para dirigirse a tipos específicos de células o tejidos, lo que hace que la entrega sea más selectiva y reduce los posibles efectos en las células sanas.

Nanomedicina estructural: la forma es más importante que los ingredientes

Este avance ilustra perfectamente los principios de la nanomedicina estructural, un campo científico en crecimiento del que el profesor Mirkin es pionero. La idea básica de este campo es que la actividad biológica y la eficacia de un nanomaterial no dependen solo de su composición química, sino de manera crucial de su arquitectura y forma tridimensional. En otras palabras, la forma en que las moléculas están dispuestas en el espacio puede cambiar drásticamente cómo el nanomaterial interactúa con los sistemas biológicos.

En el caso de las LNP-SNA, el simple cambio de la superficie lineal y desorganizada de las NPL estándar a la estructura esférica y densamente empaquetada de las cadenas de ADN en la ANE mejora drásticamente la forma en que las células reconocen e internalizan la partícula. "Cambios simples en la estructura de la partícula pueden cambiar drásticamente lo bien que una célula la acepta", explica Mirkin. "La arquitectura ANE es reconocida por casi todos los tipos de células, por lo que las células captan activamente las ANE y las internalizan rápidamente". Este principio abre la puerta al diseño de nanofármacos más inteligentes y eficaces para una amplia gama de aplicaciones.

Resultados impresionantes que prometen una nueva era

Para probar su nueva plataforma, los investigadores llevaron a cabo una serie de experimentos en diferentes tipos de células humanas y animales en cultivo. Las pruebas incluyeron células de la piel, glóbulos blancos, células madre de médula ósea humana y células de riñón humano. Los resultados, publicados en la prestigiosa revista Proceedings of the National Academy of Sciences, fueron extraordinarios en todos los aspectos.

Se demostró que las estructuras LNP-SNA entraban en las células hasta tres veces más eficazmente en comparación con los sistemas de NPL estándar que se utilizan, por ejemplo, en las vacunas. Igualmente importante, causaron una toxicidad celular significativamente menor, lo cual es un factor clave para la seguridad de cualquier terapia futura. Lo más impresionante fue el aumento de la propia eficacia de la edición genética. El nuevo sistema triplicó la eficiencia de CRISPR. Además, cuando el objetivo no era solo "recortar" un gen, sino realizar una reparación precisa de la secuencia genética utilizando una plantilla de ADN, la plataforma LNP-SNA mejoró la tasa de éxito en más del 60 % en comparación con los métodos existentes. Este aspecto es de vital importancia para el tratamiento de enfermedades causadas por mutaciones específicas, donde es necesario corregir, y no solo eliminar, el gen.

Del laboratorio al paciente: el camino hacia la aplicación clínica

Estos prometedores resultados abren el camino a medicamentos genéticos más seguros y fiables. El siguiente paso para el equipo de Mirkin es validar aún más el sistema en múltiples modelos de enfermedades in vivo en animales, para confirmar su eficacia y seguridad en el complejo entorno de un organismo vivo. Dado que la plataforma es modular, los investigadores pueden adaptarla fácilmente para diferentes objetivos y aplicaciones terapéuticas, simplemente cambiando las herramientas CRISPR dentro del núcleo o las secuencias de ADN de direccionamiento en la superficie.

El potencial de esta tecnología ha sido reconocido también fuera de los círculos académicos. La empresa de biotecnología Flashpoint Therapeutics, surgida de la investigación en la Universidad Northwestern, ya está trabajando en la comercialización de esta tecnología con el objetivo de llevarla a la fase de ensayos clínicos en humanos lo más rápido posible. Al fusionar dos biotecnologías excepcionalmente poderosas —CRISPR y los ácidos nucleicos esféricos— se ha creado una estrategia que tiene el potencial de liberar finalmente todo el poder de la edición genética e introducir la medicina en una nueva era de tratamientos personalizados y curativos.