La imagen de superresolución y la RMN revelan los efectos de los fármacos a nivel celular y atómico

Los investigadores utilizaron microscopía de superresolución para rastrear el fármaco oncológico sunitinib en el interior de células vivas y descubrieron que desencadena una alteración coordinada de las mitocondrias, los lisosomas y el retículo endoplasmático, según un estudio publicado en Biophotonics Discovery. Por otra parte, la espectroscopía de resonancia magnética nuclear (RMN) de estado sólido se está utilizando para determinar estructuras a nivel atómico de productos farmacéuticos formulados, lo que aborda un desafío persistente en el diseño de formulaciones farmacéuticas.

El sunitinib se utiliza para tratar varios tipos de cáncer, incluido el cáncer de riñón. Su actividad terapéutica se ha asociado tradicionalmente a su capacidad para inhibir enzimas que impulsan el crecimiento tumoral. Investigadores de la Universidad de Cincinnati combinaron pruebas de viabilidad celular con microscopía de iluminación estructurada (SIM), una técnica de imagen de superresolución que puede revelar estructuras demasiado pequeñas para verse con claridad con los microscopios ópticos convencionales. Dado que el sunitinib es naturalmente fluorescente, el equipo pudo seguir su movimiento dentro de células vivas sin modificarlo químicamente. En lugar de centrarse únicamente en si las células sobrevivían al tratamiento, los investigadores examinaron cómo el fármaco afectaba a tres sistemas celulares interconectados: los lisosomas, que reciclan materiales celulares; las mitocondrias, que generan energía; y el retículo endoplasmático (RE), que ayuda a producir proteínas y a regular la señalización celular.

El equipo confirmó en primer lugar que el sunitinib reducía la viabilidad celular de forma dependiente de la dosis, y que las concentraciones más altas provocaban una muerte celular progresivamente mayor. Las imágenes de SIM mostraron que el fármaco se concentraba principalmente en el interior de los lisosomas, y el análisis cuantitativo confirmó una asociación mucho más fuerte con los lisosomas que con las mitocondrias. Tras el tratamiento, las redes mitocondriales sanas se volvieron cada vez más fragmentadas, y las estructuras alargadas se rompieron en segmentos más cortos y aislados. El número de lisosomas disminuyó, mientras que las estructuras restantes se hicieron más grandes y de forma más irregular, lo que apunta a un estrés creciente dentro del sistema lisosomal a medida que aumentaban las concentraciones del fármaco. La red del RE, que en las células no tratadas formaba una red continua que se extendía por toda la célula, se fue descomponiendo progresivamente en fragmentos desconectados. Los análisis topológicos de la conectividad del RE mostraron una clara pérdida de la organización del RE dependiente de la concentración.

Los hallazgos sugieren que los efectos del sunitinib van más allá de la inhibición enzimática. El fármaco parece desencadenar una alteración coordinada de múltiples sistemas celulares, lo que en última instancia contribuye a la pérdida de la función y la supervivencia celulares. En lugar de depender únicamente de mediciones bioquímicas, los investigadores visualizaron directamente cómo una molécula terapéutica se movía a través de una célula viva y cómo respondían las estructuras celulares con el tiempo. El enfoque combina ingeniería óptica, análisis de imágenes y biología celular para producir mediciones cuantitativas de la arquitectura y la conectividad de los orgánulos, y demuestra cómo la imagen de superresolución moderna puede transformar el estudio del comportamiento de los fármacos al revelar interacciones invisibles para la microscopía convencional. El trabajo ofrece una visión detallada del comportamiento de los fármacos a nivel microscópico y subraya el papel creciente de la imagen óptica en el desarrollo de fármacos y la ingeniería celular.

En una línea de investigación independiente, los métodos de espectroscopía de RMN de estado sólido desarrollados en la Universidad Estatal de Iowa y en el Laboratorio Ames del Departamento de Energía de EE. UU. están ayudando a resolver «un desafío persistente en la industria farmacéutica»: el diseño exitoso de formulaciones para la administración de principios activos farmacéuticos. En un experimento, una pequeña muestra sólida de un fármaco, con sus ingredientes activos e inactivos, se hizo girar a 50.000 revoluciones por segundo mientras se inclinaba en el «ángulo mágico» de casi 55 grados con respecto a un campo magnético intenso en la Instalación Nacional de Resonancia Magnética de la Universidad de Wisconsin-Madison. La posición de los picos en los espectros resultantes ofreció pistas sobre la estructura del fármaco sólido, lo que ayudó a localizar la posición de los átomos de hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. La espectroscopía de RMN de estado sólido puede aplicarse para determinar la estructura a nivel atómico de materiales como catalizadores heterogéneos, semiconductores de próxima generación y fármacos sólidos formulados.

Los instrumentos de RMN utilizan imanes superconductores enfriados con nitrógeno líquido y helio líquido para someter las muestras a campos magnéticos intensos. El imán del laboratorio de la Universidad Estatal de Iowa está clasificado en 9,4 Tesla, mientras que el Laboratorio Nacional de Campo Magnético Alto en Tallahassee, Florida, cuenta con un instrumento de 18,7 millones de dólares clasificado en 35 Tesla. El campo magnético del instrumento de RMN alinea los núcleos; luego, los pulsos de radio los sacan de esa alineación, y el instrumento registra esas diferencias. Las herramientas de RMN son «una piedra angular de la investigación moderna en el diseño de fármacos, los materiales para energía sostenible y los sistemas cuánticos», según un resumen de un panel de discusión en la reunión anual de la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia.

Un nuevo estudio de tres años, dotado con 492.000 dólares, sobre las estructuras de los principios activos farmacéuticos y los productos farmacéuticos comerciales, respaldado por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., está desarrollando nuevos métodos para mejorar la sensibilidad y la resolución de los datos de RMN. Estudiantes de posgrado y de grado formarán parte del proyecto, y aprenderán a preparar muestras de fármacos, realizar experimentos de RMN y modelar computacionalmente estructuras atómicas. Un informe de 2024 de las Academias Nacionales de Ciencias, Ingeniería y Medicina concluyó que Estados Unidos necesita restablecer un nivel de apoyo a la investigación de RMN de vanguardia que permita a los laboratorios estadounidenses recuperar una posición de liderazgo en las áreas de investigación basadas en RMN, lo que implica más instrumentos que produzcan campos magnéticos ultraaltos que agudicen la resolución y mejoren los datos recopilados.