Los lípidos acumulados en la Covid y la nanociencia

Las nuevas y prometedoras vacunas de ARN al que la triste CoVid-19 ha dado salida solo han sido posibles gracias a su protección dentro de nanocápsulas muy especiales. El ARN sin protección es degradado por unas enzimas llamadas ARNasas que están por todas partes y son muy activas. Sin protección este se degradaría en muy poco tiempo. Por ello se desarrollaron las liponanopartículas o LNPs. Nano esferas hechas de grasa del tamaño de muchos virus, capaces de empaquetar ácidos nucléicos, protegerlos y hacerlos entrar en las células adecuadas para que sinteticen la proteína viral que codifican. Las proteínas producidas a partir de este ARN servirán a las células inmunitarias para detectarlas y generar una respuesta específica contra ellas. Así, cuando el patógeno se presente de verdad la respuesta específica y a medida esté preparada de inmediato. Pero ha habido un largo y arduo camino hasta que esto ha sido posible, desde los primeros liposomas hasta las moléculas lipídicas de última generación, con patente y todo, ha pasado mucho tiempo. Es una historia bastante jugosa como los lípidos que la protagonizan.

La historia de las liponanopartículas o LNPs comenzó en los setenta como modelos de estudio de las membranas celulares y se hieron ubicuos en los ochenta con los famosos liposomas. Que a finales de esa década eran lo más en las cremas cosméticas. Son partículas de doble membrana, como la membrana de las células, capaces de encapsular agua y moléculas solubles en ella como principios activos. La idea inicial en terapia era que podían transportar sustancias en principio tóxicas y llevarlas hasta la vasculatura de los tumores, que es mucho más permeable y allí entrar en las células malignizadas y liberar su carga. Esto que parecía prometedor llevó un largo camino hasta que en 1995 fue aprobado el primer fármaco anti cancerígeno que contaba con esta tecnología. Fue el doxil y encapsulaba en nanopartículas lipídicas un conocido agente intercalante del ADN con cierta toxicidad libre por el torrente sanguíneo.

LNP Liponanopartícula cargada en su interior con ARN mensajero ARNm o mRNA. Esta nanopartícula está formada como una bicapa lipídica esférica del tamaño de un virus y constituida básicamente de 4 tipos de lípidos. Fosfolípidos o lípidos zwitterionicos (abajo derecha), lipidos ionizables cationicos (abajo iquierda), colesterol (arriba izquierda) y en su exterior de lípidos pegilados, con colas de polientienglicol (S ariba derecha). El ARN o RNA mensajero se dispone en su interior empaquetado o encapsulado.

En los noventa la prometedora terapia génica hizo moverse a las LNPs hacia la contención de ácidos nucleicos. Esto llevó a la idea de compensar el exceso de carga negativa de los ácidos nucleicos con lípidos cargados positivamente que no abundan en los sistemas vivos. Estos lípidos catiónicos resultaron ser tóxicos al desestabilizar las membranas celulares. Por ello, se desarrollaron lípidos que solo están cargados en condiciones de acidez y son menos problemáticos in vivo en el torrente sanguíneo a pH neutro.

Para empaquetar un largo ácido nucleico en una envuelta lipídica la idea era mezclar por microinfusión los ácidos nucleicos disueltos en medio ácido con los lípidos ionizables disueltos en etanol. Al converger las dos disoluciones se formarían las LNPs rellenas con la cadena nucléica. Esto resulto ser más fácil en la teoría que en la práctica pero se logró mediante técnicas de microfluidos que funcionase y producir de manera homogénea y fiable las partículas.

El siguiente reto fue que fueran bio compatibles y que no causaran muchos efectos secundarios. Nanopartículas que funcionaban bien en cultivos celulares resultaron ser desastrosas al inyectarlas in vivo. Bien por toxicidad, por acumularse en hígado y no degradarse convenientemente, o por otrtas razones. Además, se recubrieron exteriormente de polietilen glicol, esto es, eran pegiladas para hacerlas más estables, que no se fusionasen entre ellas y para que el sistema inmune no la detectara y generase respuesta.

El pegilado de los lípidos consiste en añadir a la cabeza de los lípidos que entra en contacto con la fase acuosa un cola de polietilenglicol más o menos larga y así no tener esferas perfectas que puedan agregar entre sí, además de controlar el tamaño medio de las nanocápsulas y su vida media en circulación. De hecho la terapia aprobada con Doxil en el 85 las LPNs contenedoras estaban convenientemente pegiladas.

Para los primeros años del 2000 se tuvieron que cambiar las propiedades de estas cápsulas esta vez para contener los primeros fármacos de pequeños ARN de interferencia desarrollados en Alnylam. Estos siRNAs (small interfering RNA) no son más que pequeños ARN complementarios a un ARN mensajero que se exprese patológicamente. Al unirse a él en las células diana hace que se degrade y no se exprese. Estas moléculas necesitaban LPNs que funcionaran con ellos y poder dejarlos en el lugar adecuado. Para ello probaron cientos de combinaciones con la longitud de las colas lipídicas y el tipo de cabezas ionizables. Muchas funcionaban perfectamente en cultivo pero fracasaban estrepitosamente in vivo a la hora de dejar su carga.

Las que resultaron ser más útiles fue las que el cuerpo humano confundía con lipoproteínas LDL. Desarrolladas por la gente de Alnylam unían proteínas específicas de LDL y se dirigían al hígado donde su unión a un receptor específico hacia que fueran endocitadas en las células hepáticas. Una vez dentro de un compartimento ácido digestivo llamado endosoma los lipidos ionizables hacían su trabajo desestabilizando con su carga positiva y haciendo que el contenido pasase al citoplasma. La investigación en nuevos lipidos ionizables marco entonces la diferencia. Alnylam descubrió un ionizable que llamó MC3 que dejó obsoletos otros anteriores. Sus LNPs requerian 100 veces menos concentración para llevar a cabo su efecto. De hecho lo incorporó a la primera terapia génica con pequeños ARNes de interferencia para tratar una rara enfermedad hepática. Aunque exitoso en la terapia de esa amiloidosis el Onpattro era complicado de administrar en largas sesiones de hospital. El quid en hacer los nuevos lípidos más biocompatibles.

La experiencia encapsulado con los pequeños ARNes de interferencia no fue del todo funcional para el siguiente objetivo que era empaquetar ARN mensajero (ARNm) de manera que se exprese en las células que hiciera falta. En este punto entraron nuevos jugadores como BioNTech y moderna, en el 2018 y 2010 respectivamente, para posibilitar las terapias con ARNm. Y los bioquímicos de estas compañias comenzaron a buscar lipidos ionizables que sustituyeran al MC3. La feliz idea que se les ocurrió fue añadir enlaces ester en las colas hidrocarbonadas para facilitar su degración en el cuerpo humano y adaptarlos según el tejido al que iban dirigidos. Las dos compañias patentaron nuevos lípidos ionizables en 2018 que han sido claves para sus actuales vacunas frente a CoVid19. Casualmente estos lípidos son similares y estaban destinados a dejar los ARNm en hígado, pero parece que funcionan suficientemente bien intramuscularmente. Aunque seguro que se pueden desarrollar otros que funcionen mejor en músculo.

Los cuatro tipos de lípidos utilizados en la formulación de una nanopartícula lipídica o LPN del inglés (Lipid nanoParticle). Los componentes normales de las membranas celulares animales son fosfolípidos y colesterol. En las liponanopartículas a estos se les añaden por conveniencia, lipidos pegilados con colas de polietilenglicol y lipidos cationicos ionizables. Estos últimos son clave en muchas funciones y se cargan en el medio ácido de las vesículas cuando las LNPs son endocitadas por las células. Este exceso de carga permite que su contenido se libere en el citoplasma y allí ejerza su función, en el caso de ser un ARN mensajero fabricar una proteína.

El campo de las LNPs, los lipidos ionizables, las moléculas de colesterol modificadas, etc va a ser un terreno fructífero para las siguientes vacunas, terapias génicas e incluso edición genética con CRISPR. Veremos como se desarrolla esta historia en un futuro. Mucha investigación y creatividad química con una dosis de azar.

REFERENCIAS:

Magee, Wayne E. (1 de noviembre de 1974). «The interaction of cationic liposomes containing entrapped horseradish peroxidase with cells in culture». The journal cell biology, volume 63, 1974.

Doxil® – The first FDA-approved nano-drug: From an idea to a product. January 2012. Y.C. Barenholz


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