A fondo Por Alda Ólafsson y Gema de la Asunción / CSIC Lunes, 06 Septiembre 2021 17:22
ciencia europea

Protones para atacar el cáncer y nanomateriales para mejorar el diagnóstico

Los investigadores del CSIC trabajan en nueve proyectos europeos del programa Horizonte 2020 para buscar nuevos métodos de detección y tratamiento de los tumores

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Imagen del laboratorio de Gerard Tobías. Imagen del laboratorio de Gerard Tobías. ICMAB

La investigación del cáncer es una de las prioridades de la ciencia europea. El conjunto de enfermedades que se agrupa bajo la denominación de cáncer causa cada año casi 1,9 millones de muertes en Europa. Por ello supone un reto biomédico, sanitario, económico y social de primer orden.

La Comisión Europea ha fijado la investigación del cáncer como uno de sus cinco grandes ejes, o misiones, del próximo Programa Marco Europeo de Investigación, Desarrollo e Innovación, denominado Horizonte Europa (2021-2027), la mayor herramienta de financiación de la ciencia y la innovación de la Unión Europea. Son nueve los proyectos del vigente programa marco, Horizonte 2020, los impulsados por investigadores del CSIC, centrados en buscar nuevos métodos de diagnóstico y tratamiento.

Europa tiene una cuarta parte de todos los casos de cáncer, pero menos del 10% de la población mundial, por lo que el cáncer supone una enorme amenaza para los ciudadanos y los sistemas de salud de la UE”, constata el informe Conquering Cancer: Mission Possible, publicado por el grupo de trabajo de la Misión del Cáncer de la Comisión Europea. “Cada año se diagnostican 2,6 millones de casos de cáncer en la UE. Se prevé que esta cifra aumentará rápidamente debido al envejecimiento de la población, estilos de vida poco saludables y condiciones ambientales desfavorables”. Y advierte: “Si no se toman acciones firmes, el número de casos de cáncer en Europa aumentará un 25% hacia 2035”.

La Misión del Cáncer —siguiendo el concepto de la misión Apolo que llevó el hombre a la Luna, en cuanto a movilización de recursos técnicos y humanos— funciona como un conjunto de acciones que incluyen proyectos de investigación, medidas administrativas e incluso iniciativas legislativas, para lograr un objetivo que no se podría conseguir con acciones individuales.

La meta que se ha marcado la misión es conseguir que en 2030 se hayan salvado tres millones de vidas, que haya más supervivencia y mejor calidad de vida. La misión busca mejorar tres pilares en la batalla contra el cáncer: la prevención, el diagnóstico y tratamiento del cáncer, y la calidad de vida de los pacientes, los supervivientes, sus familias y sus cuidadores. Para lograrlos es imprescindible que la ciencia básica mejore la comprensión de los mecanismos del cáncer.

La terapia de protones, una radioterapia alternativa

En el Instituto de Física Fundamental (IFF-CSIC), en Madrid, el equipo de Gustavo García Gómez-Tejedor ha trabajado en proyectos europeos para evaluar la terapia de protones y de haces de iones, dos alternativas más eficientes a la radioterapia tradicional, que es poco selectiva.

En la radioterapia habitual, —una de las más comunes en el tratamiento del cáncer, junto a la quimioterapia y la cirugía—, la radiación produce pequeñas roturas en el ADN de las células, lo que provoca la muerte de las células cancerosas. El problema es que no distingue entre las células tumorales y las sanas, por lo que puede perjudicar las áreas del tejido sano que rodean al tumor. En cambio, la terapia de protones o de haces de iones (carbono, oxígeno o helio) permiten atacar las células tumorales de forma más precisa, limitando el impacto en el tejido sano, según explica el investigador. Pero no está exenta de riesgos.

“La gran ventaja de los haces de partículas cargadas (electrones, protones e iones pesados), frente a la radioterapia tradicional, basada en la irradiación con fotones, es que en las primeras la energía del haz primario disminuye gradualmente hasta alcanzar un valor en el que las probabilidades de interacción con las moléculas del haz son máximas. Esto hace que el depósito de energía aumente considerablemente en esa zona, concentrando el efecto de la radiación en la zona a tratar. Dicho fenómeno se conoce como pico de Bragg”, detalla García Gómez-Tejedor, que lidera el proyecto.

La profundidad a la que se produce el pico de Bragg en el blanco depende de la energía incidente, un factor que permite depositar la mayor parte de la energía del haz dentro del tumor y minimizar así su efecto en el tejido sano. “Con esta técnica se reduce el riesgo de cáncer secundario y mejora la calidad de vida tras el tratamiento. Ambas, tanto con protones como con iones pesados, permiten mejorar la conservación de los tejidos circundantes”, asegura García Gómez-Tejedor. “El efecto biológico de la radiación dentro de la región de interés se refuerza con la inyección de fármacos radiosensibilizadores basados en nanopartículas que aumentan la sensibilidad de las células tumorales a la radiación y potencian su efecto”, añade.

Riesgo

El riesgo de esta terapia radica en que esta irradiación genera una gran cantidad de electrones secundarios y radicales libres en las zonas cercanas al punto donde se concentra el depósito de energía del haz de protones o iones (o pico de Bragg), lo que supone un gran incremento del efecto biológico de la radiación. Para evaluar este riesgo, el equipo de García Gómez-Tejedor desarrolla modelos basados en interacciones moleculares que miden la efectividad biológica relativa de este tipo de radiaciones; es decir, mide si el riesgo de generar electrones secundarios y radicales libres compensa la eficacia del haz de protones al incidir sobre el tumor.

El proyecto de García-Gómez Tejedor ha estado financiado, en parte, con una acción Marie Sklodowska-Curie del programa marco Horizonte 2020, gracias a la cual ha formado a tres doctores especializados en radioterapia de protones. Mediante esta acción, han colaborado en experimentos radiobiológicos en centros de terapia de protones en Francia, República Checa y Dinamarca, y en terapia de iones pesados en Francia y Alemania.

El equipo del IFF trabaja en colaboración con tres hospitales públicos de Madrid: el Ramón y Cajal, el Puerta de Hierro y el Hospital Universitario de La Paz. En España, las dos primeras instalaciones privadas de terapia de protones se inauguraron en 2020, pero la sanidad pública aún no cuenta con dispositivos para aplicarla.

“Realizamos experimentos radiobiológicos conjuntos en el acelerador de protones del Centro de Microanálisis de Materiales de la Universidad Autónoma de Madrid. Además, en colaboración con el Hospital Universitario Ramón y Cajal de Madrid, estamos desarrollando un nuevo modelo de determinación de dosis basado en el daño a nivel molecular para aplicaciones de radioterapia intraoperatoria con haces de electrones”, indica el investigador.

Nanomateriales para diagnóstico y terapia

Los nanomateriales, que son compuestos más pequeños que las células humanas, han demostrado un papel clave en la búsqueda de nuevas formas de diagnóstico y tratamiento del cáncer. En concreto, los nanomateriales son útiles, no solo para detectar y confirmar la presencia de un tumor a través de imagen biomédica, sino, además, para hacerle frente, ya que pueden ser cargados con un determinado medicamento que ataque directamente a las células cancerígenas.

Icmab gerard tobias“Uno de los mayores retos al desarrollar nuevos agentes de diagnóstico y terapia es su concentración en la zona afectada”, explica Gerard Tobías Rossell, investigador del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB-CSIC). “Los nanomateriales son interesantes porque, tras ser administrados de forma intravenosa, están más tiempo en circulación dentro del organismo que los fármacos, facilitando la acumulación en el tumor y su detección por imagen”, añade. “Además, esos mismos nanomateriales pueden usarse posteriormente para terapia mediante biomoléculas (fármacos) ancladas en su superficie, que pueden ser dirigidas selectivamente al tumor”, precisa el investigador.

Tobías-Rossell trabaja en el diseño de nanomateriales para radiodiagnóstico y radioterapia, dos técnicas que usan la radiación que emiten ciertos compuestos, para fines biomédicos. En el caso de la radioterapia es necesario utilizar altas dosis de radiación para destruir y reducir los tumores en una determinada zona. Su proyecto, denominado Nest, cuenta con una financiación de dos millones de euros del Consejo Europeo de Investigación (ERC, por sus siglas en inglés) a través de una ayuda Consolidator Grant.

Tobías-Rossell explica que los tumores suelen conllevar la creación de vasos sanguíneos muy rápidamente, un proceso conocido como angiogénesis tumoral. Los nanomateriales aprovechan el tamaño que tienen estos vasos sanguíneos para entrar y permanecer en el tumor. “Una vez dentro, les cuesta salir, lo que ayuda a que el tratamiento sea más eficiente”, explica el investigador. “Nos aseguramos de que el tratamiento tiene lugar en la zona deseada, reduciendo los efectos secundarios”, subraya.

Ensayos en próstata y pulmón

Su equipo está desarrollando nanomateriales radioactivos para el diagnóstico y terapia de distintos tipos de cáncer, como los de próstata y de pulmón. Esta investigación se está desarrollando en colaboración con expertos en medicina nuclear y oncología radioterápica del Hospital Universitario Vall d’Hebron, en Barcelona, con los que también están investigando cómo la presencia de nanomateriales no radioactivos aumenta el efecto radioterapéutico cuando se utilizan fuentes de radiación externas.

“Con los nanomateriales preparados —fabricados, por ejemplo, con nanotubos de carbono— hemos podido obtener imágenes ultrasensibles in vivo, de interés para el diagnóstico del cáncer, así como para el tratamiento del cáncer de pulmón metastásico en modelos animales. La combinación de agentes radiactivos para imagen y terapéuticos nos permite, por ejemplo, monitorizar en tiempo real los efectos de un determinado tratamiento”, explica Tobías-Rossell.

Modelos predictivos y biología de sistemas

Uno de los grandes desafíos en la investigación del cáncer es utilizar de forma eficiente los grandes conjuntos de datos sobre la enfermedad que empiezan a estar disponibles para los científicos de todo el mundo. Estos datos ómicos, que aportan información sobre los genes, las proteínas y los metabolitos —y en los que se basan la genómica, la proteómica y la metabolómica, entre otras áreas—, son enormemente complejos y a menudo muy heterogéneos. Sin embargo, analizarlos e interpretarlos es fundamental para llegar a un diagnóstico más temprano e, incluso, para prevenir la aparición de la enfermedad. Además, los tratamientos basados en la información de cada paciente podrían llegar a ser mucho más efectivos.

Icmab cromatografia“Estamos desarrollando y validando nuevos conceptos y herramientas de biología de sistemas y bioinformática para la interpretación sistemática de estos enormes conjuntos heterogéneos de datos ómicos”, indica el investigador Julio R. Banga, del Instituto de Investigaciones Marinas (IIM-CSIC), de Vigo, que es uno de los socios del proyecto europeo CanPathPro, financiado con 600.000 euros. “El objetivo último es generar modelos matemáticos predictivos de señalización celular en cáncer; en definitiva, lo que buscamos es ser capaces de guiar nuevos descubrimientos mediante estos modelos para, en el futuro, poder desarrollar nuevos fármacos de forma más sistemática”.

El proyecto CanPathPro ha generado, a partir de un gran número de experimentos, una enorme base de datos que ha permitido empezar a construir y calibrar modelos dinámicos predictivos de los fenómenos de señalización celular de la enfermedad, es decir, sobre el proceso por el que las células tumorales responden a sustancias del exterior mediante moléculas de señalización o receptores que están en su superficie o dentro de ella. La señalización celular es importante para el crecimiento y funcionamiento celular normal. Observar y caracterizar patrones anómalos en señalización es crucial para poder prevenir la aparición del cáncer.

“Las tecnologías ómicas sirven como base para generar modelos matemáticos predictivos y fiables de las alteraciones en las redes de señalización celular que están detrás de muchos tipos de cáncer”, indica Banga. “Dichos modelos podrán luego ser utilizados para guiar nuevos descubrimientos, tanto en la investigación básica del cáncer, como en medicina personalizada y en el descubrimiento y desarrollo de nuevos fármacos”, concluye.

Mientras la Misión del Cáncer del programa marco Horizonte Europa se pone en marcha, la pandemia de covid-19 está impactando en la investigación básica del cáncer y en su práctica clínica. En el CSIC, los equipos de investigación se adentran en la comprensión del cáncer financiados por fondos europeos y tejen redes de colaboración intersectoriales e internacionales con grupos científicos de toda Europa. El reto del cáncer en el continente requiere la colaboración de todos los recursos humanos y técnicos del denominado Espacio Europeo de Investigación para obtener mejores métodos de diagnóstico y tratamiento, más precisos, personalizados y eficaces.

 



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