nanopartículas de proteínas

La nanotecnología de proteínas es un campo de investigación que integra las diversas propiedades fisicoquímicas de las proteínas con la nanotecnología. Este campo se asimiló a la investigación farmacéutica para dar lugar a una nueva clasificación de nanopartículas denominadas nanopartículas de proteínas (o basadas en proteínas) (PNP). Las PNP han despertado un gran interés debido a sus favorables propiedades farmacocinéticas, como su alta biocompatibilidad, biodegradabilidad y baja toxicidad ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ].} En conjunto, estas características tienen el potencial de superar los desafíos que presentan las estrategias de administración de fármacos con nanopartículas sintéticas . Estos desafíos existentes, que incluyen baja biodisponibilidad, una tasa de excreción lenta, alta toxicidad y un proceso de fabricación costoso, abrirán la puerta a avances terapéuticos considerables en oncología, teranóstica e investigación clínica traslacional. ^{[ 2 ] [ 4 ]}

Se requiere un avance continuo en este campo para la traslación clínica de las PNP. A partir de 2022, solo una formulación de PNP (Abraxane) y cinco VLP (Gardasil, Ceravix, Mosquirix, Sci-B-Vac, Gardasil9) están aprobadas por la FDA para uso clínico. La aprobación de las formulaciones de PNP por parte de la FDA está limitada por las complicaciones derivadas de las interacciones in vivo entre las PNP y el entorno biológico que comprometen su seguridad o función. ^{[ 6 ] [ 7 ]} Por ejemplo, las PNP pueden sufrir cambios en la conformación de las proteínas, formar una corona proteica o inducir inflamación y pueden poner en riesgo el bienestar del paciente. ^{[ 4 ]}

Para aprovechar las características favorables de las PNP, se están explorando ampliamente mejoras en los métodos de síntesis de PNP. Los avances o el desarrollo de nuevos métodos de síntesis son deseables, ya que los métodos existentes (sonoquímica, descomposición térmica y métodos coloidales/hidrotérmicos/de microemulsión) contribuyen a la toxicidad sistémica y se limitan a fármacos hidrofílicos. En consecuencia, los avances recientes buscan superar estos desafíos y lograr la producción a escala comercial. ^{[ 2 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}

Además, los métodos de síntesis de PNP recientemente desarrollados, como la electrospray o la desolvatación, proporcionan un enfoque más sostenible en comparación con los métodos tradicionales de nanopartículas. ^{[ 2 ] [ 9 ]} A diferencia de las nanopartículas sintéticas, las PNP se pueden sintetizar en condiciones suaves y sin productos químicos tóxicos ni disolventes orgánicos. Las PNP también son de origen natural y fácilmente degradables. Sin embargo, a pesar de estas ventajas y la incorporación de nuevos métodos de síntesis, estos siguen siendo relativamente caros y no ofrecen un control total del tamaño de las PNP, lo que limita en gran medida su aplicación en biomedicina. ^{[ 2 ] [ 12 ]}

Numerosas proteínas se utilizan en la síntesis de PNP. A menudo se obtienen de fuentes naturales de origen animal y vegetal. En consecuencia, las ventajas generalmente compartidas de las proteínas animales incluyen alta biocompatibilidad, biodegradabilidad, no inmunogenicidad, eficiencia de carga de fármacos, captación celular y producción fácil y rentable. ^{[ 15 ]} Las Tablas 2 a 4 a continuación recopilan las proteínas comunes utilizadas en la síntesis de PNP. Los tipos de PNP comparten propiedades físicas similares, como alta biocompatibilidad, no inmunogenicidad, alta eficiencia de fármacos, alta biodegradabilidad y alta captación celular. ^{[ 3 ] [ 16 ] [ 17 ]} Debido a la abundancia de proteínas necesarias para el correcto funcionamiento del cuerpo, el organismo ha desarrollado procesos para incorporar proteínas a los tejidos y células. Los PNP aprovechan estos procesos naturales para mejorar su captación celular. Esta abundancia y la posterior purificación de las proteínas, obtenidas de fuentes naturales, también reducen las respuestas inmunogénicas y producen bajos niveles de toxicidad en el organismo. A medida que los PNP se degradan, los tejidos asimilan los aminoácidos para la producción de energía o proteínas. ^{[ 4 ]}

Las nanopartículas poliméricas (PNP) pueden modificarse químicamente para aumentar su estabilidad, reducir su degradación y mejorar sus características. La reticulación es una modificación común que puede emplear agentes reticulantes sintéticos o naturales. Los agentes reticulantes naturales son significativamente menos tóxicos que los sintéticos. ^{[ 27 ]}

Los factores determinantes en la modificación de las PNP se derivan de sus propiedades superficiales (carga superficial, hidrofobicidad , grupos funcionales , etc.). Los grupos funcionales pueden unirse a ligandos específicos de tejido para la administración dirigida de fármacos. Los ligandos funcionales pueden incluir receptores de proteínas, anticuerpos y péptidos más pequeños. El propósito de la unión del ligando es dirigir la PNP a las células diana, reduciendo así la toxicidad sistémica y mejorando la retención y excreción de la PNP dentro de los tejidos. El ligando óptimo para la modificación de la PNP depende de la célula diana. La modificación de la superficie de una PNP con ligandos puede lograrse mediante conjugación química, aunque también se pueden unir colorantes químicos para imágenes y péptidos para la activación inmunitaria [11,33,34]. Un ejemplo es el ligando anti- receptor 2 del factor de crecimiento epidérmico humano que se dirige a las células de cáncer de mama. A continuación se presentan aplicaciones adicionales de las modificaciones de ligandos y sus aplicaciones terapéuticas [12].

Además de la conjugación química, la modificación genética puede facilitar la unión directa de los monómeros de proteína modificadores a la superficie de la PNP. Esto da como resultado un coensamblaje y una solución a los problemas existentes con las uniones directas o las proteínas grandes. La unión de proteínas grandes a las PNP interfiere con el proceso de autoensamblaje e induce interacciones estéricas. Sin embargo, las PNP generalmente toleran la unión de proteínas más pequeñas. Una limitación importante de la unión directa mediante la modificación genética de monómeros de proteína es que no permite la unión de múltiples componentes. La ligación enzimática ayuda a superar esta limitación al proporcionar un enlace covalente sitio-específico a la superficie de la PNP después del ensamblaje de la PNP. Esta estrategia también puede proporcionar un mayor control sobre la densidad y las proporciones de las proteínas unidas. ^{[ 26 ]}

La modificación de las VLP es única debido a su arquitectura de nanocaja. Las PNP con estructuras de jaula pueden encapsular completamente componentes funcionales en su interior, lo que se denomina coencapsulación. La encapsulación de fármacos dentro de las jaulas de VLP puede ocurrir a través de dos procesos. Este primer proceso ocurre in vitro y requiere el desmontaje de la jaula y su reensamblaje en presencia de los componentes del fármaco que se van a encapsular [8]. Dado que la eficiencia de carga está influenciada por interacciones electrostáticas, los compuestos del fármaco no pueden encapsularse completamente sin interferir con el autoensamblaje de la jaula de VLP. Otro proceso es la encapsulación de componentes del fármaco in vivo. Esto implica la unión genética directa de los componentes del fármaco al interior de la jaula de VLP. Este proceso guía los fármacos para su encapsulación directamente al interior de la jaula. ^{[ 28 ] [ 2 ]}

Debido a la amplia gama de propiedades farmacocinéticas favorables de las PNP, tales como alta biocompatibilidad, alta biodegradabilidad, alta modificabilidad, baja toxicidad, alta captación celular y una rápida tasa de excreción, las PNP son candidatas ideales para la terapia anticancerígena. Las terapias anticancerígenas anteriores se basaban en el efecto de permeabilidad mejorada para acumularse pasivamente dentro de los tumores. Esto resultaba en una mayor toxicidad debido a las concentraciones más altas requeridas para alcanzar niveles críticos de eficacia del fármaco. Las estrategias más recientes permiten que las PNP se dirijan activamente al microambiente tumoral mediante la unión de ligandos y receptores proteicos específicos del sitio. La focalización activa disminuye la concentración total de fármacos necesaria para administrar una dosis efectiva, reduciendo así los efectos secundarios sistémicos. ^{[ 29 ] [ 30 ]}

Además de la focalización activa en el tumor, las PNP también pueden diseñarse para responder a cambios en el entorno externo, como el pH, la temperatura o la concentración de enzimas. El microambiente tumoral es ligeramente ácido, por lo que las PNP pueden diseñarse para liberar su fármaco únicamente bajo condiciones fisiológicas tumorales específicas. ^{[ 28 ]}

Otra aplicación es la terapia fototérmica o fotodinámica . Las PNP se acumulan selectivamente en el microambiente tumoral , donde posteriormente se irradian con un  láser de 1064 nm. La energía lumínica se transforma en energía térmica, aumentando la temperatura del microambiente tumoral para inhibir el crecimiento del tumor. La ferritina es una proteína idónea para esta aplicación debido a su alta estabilidad térmica. ^{[ 28 ] [ 14 ]}

La obtención de imágenes in vivo es otra aplicación de las PNP. Las PNP pueden transportar colorantes fluorescentes que se acumulan selectivamente en el microambiente tumoral. Esto es importante porque una limitación significativa de la proteína fluorescente verde (GFP), la proteína estándar para la obtención de imágenes tumorales, es su insuficiente penetración en los tejidos profundos. Debido a su pequeño tamaño, las PNP pueden administrar colorantes fluorescentes en las profundidades del tejido, superando este desafío y proporcionando imágenes tumorales más precisas. Esta estrategia también puede aplicarse a la resonancia magnética (RM) utilizando PNP que transportan componentes magnéticos a los microambientes tumorales para su posterior escaneo. ^{[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]}

Otras aplicaciones incluyen el desarrollo de vacunas mediante VLP que transportan componentes inmunogénicos. Dado que las VLP no contienen material genético atenuado, estas vacunas representan una alternativa más segura, especialmente para personas inmunocomprometidas o de edad avanzada. Las PNP también pueden tratar enfermedades neurológicas, ya que pueden atravesar la barrera hematoencefálica [28]. Por último, las PNP pueden tener aplicaciones en la administración de fármacos oftálmicos, dado que tienen un tiempo de circulación en el ojo significativamente mayor que las gotas oftálmicas ^{[ 34 ] .}

A pesar de las numerosas ventajas farmacocinéticas de las PNP, persisten varios desafíos críticos para su traslación clínica. Solo dos PNP han sido aprobadas por la FDA, a pesar de las más de 50 formulaciones de PNP existentes hasta la fecha (2022). Los dos fármacos aprobados por la FDA incluyen Abraxane, una nanopartícula de albúmina que transporta paclitaxel y se utiliza para el tratamiento del cáncer de mama, el cáncer de pulmón de células no pequeñas y el cáncer de páncreas. La segunda PNP aprobada por la FDA es Ontak, un conjugado proteico que transporta L-2 y toxina diftérica y se utiliza para el linfoma cutáneo de células T. ^{[ 6 ] [ 7 ]} Las dos formulaciones aprobadas se resumen en la Tabla 5 a continuación. La baja tasa de aprobación de las PNP se debe al control limitado existente sobre la encapsulación del fármaco y la variabilidad farmacocinética entre lotes de PNP. Es importante equilibrar la repetibilidad de estas dos propiedades y sus interacciones relativas, ya que esto garantiza la predictibilidad de sus resultados clínicos, una mayor seguridad para el paciente y que la carga de proteínas no interfiera con las propiedades de la PNP. ^{[ 2 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 7 ]}

Otra limitación se relaciona con el costo y la capacidad de producción a gran escala. Muchos métodos de síntesis que pueden ofrecer mayor homogeneidad entre las nanopartículas producidas también son opciones más costosas o no permiten la producción en masa. Esta limitación se ve agravada por los bajos rendimientos de la fabricación de PNP. Esto limita la disponibilidad de PNP para una amplia adopción clínica [20,29]. ^{[ 7 ]}