La degradación de proteínas diana es una nueva estrategia de descubrimiento de fármacos cuyo uso está creciendo rápidamente. Es una nueva forma de utilizar las proteínas causantes de enfermedades para hacer frente a algunas de las enfermedades más graves, como el cáncer o las enfermedades neurodegenerativas.

En este estudio de la American Chemical Society se utilizan CAS Content Collection y las investigaciones recientes sobre degradadores de proteínas para ofrecer información detallada sobre el uso de los pegamentos moleculares como herramienta en el descubrimiento de nuevos fármacos. Se analizan las ventajas y desventajas del pegamento molecular como referencia para impulsar nuevas investigaciones.

A lo largo de los últimos veinte años, los avances de la inteligencia artificial (IA), en especial del aprendizaje automático, han transformado nuestra manera de abordar la investigación científica. Desde la cartografía de secuencias genómicas y el descubrimiento de nuevos antibióticos a la creación de modelos del impacto del cambio climático e incluso la exploración de la galaxia en busca de otros planetas con condiciones similares a las de la Tierra, la IA está transformando la investigación en innumerables disciplinas.

La química es una de las áreas de la ciencia en las que la IA está impulsando importantes avances. Nuestro último informe técnico, “Inteligencia artificial en la química: panorama actual y oportunidades futuras”, explora la conexión entre la IA y la química usando nuestras propias tecnologías para analizar el panorama de las publicaciones y las patentes. Hemos identificado las áreas de la química que están liderando el campo con la IA y las que tienen un gran potencial que la adopción de la IA puede hacer realidad.

¿En qué campos de la química ha crecido la IA?

El número de publicaciones y patentes químicas relacionadas con la IA se ha disparado y, en el periodo comprendido entre 2015 y 2020, se ha multiplicado por seis. Hemos identificado las disciplinas que han aportado más publicaciones y patentes, y las hemos comparado para entender qué áreas están sacando partido de esta tecnología emergente. Entre las disciplinas que lideran la adopción de la IA se incluyen la química analítica, la bioquímica, la química industrial y la ingeniería química, mientras que las áreas que presentan oportunidades para la adopción de la IA son, entre otras, los productos naturales y la química orgánica (figura 1).

Exploramos las relaciones entre estas publicaciones y patentes de 2000 a 2020 para entender cómo ha ayudado la IA a los investigadores a resolver problemas (figura 2). Por ejemplo, entre los primeros años de la década de 2000 y 2014, las publicaciones y patentes relacionadas con la IA pasaron de explorar el diagnóstico de enfermedades en humanos a la creación de algoritmos genéticos y su aplicación en el descubrimiento de fármacos y el microARN.

Recientemente, al cambiar los tipos de problemas que requieren soluciones, las publicaciones y las patentes se han desplazado hacia la metilación del ADN y el cáncer. Y hace poco el interés ha empezado a centrarse en el descubrimiento de fármacos relacionados con la COVID-19.

Como era de esperar, nuestra investigación también mostró que las moléculas pequeñas eran el campo más tratado en las publicaciones y patentes sobre la IA que se analizaron. Esto incluye temas como el descubrimiento de fármacos, la retrosíntesis y la optimización de reacciones, lo que refleja dónde suelen concentrarse las inversiones de las empresas farmacéuticas. 

¿Dónde están las oportunidades para aplicar el aprendizaje automático en la química?

En nuestro análisis de más de 70 000 publicaciones, examinamos colaboraciones interdisciplinares, especificando las disciplinas principal y secundaria (figura 3). Eso nos permitió representar todas las disciplinas en un mapa de calor en el que la intensidad de color refleja la proporción de contribuciones para las distintas disciplinas. De un vistazo, podemos identificar las áreas de la química que están liderando la aplicación de la IA y las que tienen potencial aún no explotado.

Por ejemplo, las publicaciones interdisciplinares son más frecuentes en la química analítica y la bioquímica, mientras que los algoritmos de aprendizaje automático se están usando para mejorar el análisis de proteínas, péptidos, lípidos y ácidos nucleicos, así como para predecir reacciones químicas e incluso descubrir nuevas moléculas. La IA se está usando también extensamente en la ciencia de los materiales y la química física, ya que las dos disciplinas tienen el objetivo de predecir materiales funcionales, relaciones entre estructura y propiedades, y formas de optimizar el proceso químico.

Las barreras para la adopción de la IA en la química

Algunos expertos destacados debatieron las barreras que obstaculizan la adopción de la IA en nuestro seminario web Inteligencia artificial en la química: panorama actual y oportunidades futuras. Identificaron tres barreras principales para la adopción de la IA en la química:

Calidad de los datos: las predicciones óptimas requieren conjuntos de datos fiables y de alta calidad que proporcionen ejemplos positivos y negativos para el entrenamiento. Acceder a los datos, normalizarlos y prepararlos resulta complicado para muchas organizaciones.

Tecnología: aunque la potencia computacional está aumentando (gracias a los sistemas cuánticos y la nube), siguen existiendo limitaciones perceptibles desde el punto de vista del usuario. Sin embargo, los avances realizados en los ámbitos del software y las interfaces de usuario eliminan la necesidad de contar con conocimientos de programación y permiten a más científicos utilizar el aprendizaje automático en su investigación.

Falta de personal: la falta de personal con formación en el campo de la ciencia de los datos es un hecho conocido, y los químicos no entienden lo accesible que es hoy en día la IA. Aumentar la colaboración entre la química y otras disciplinas científicas puede ayudar a acelerar la integración de la IA.

Una oportunidad para el crecimiento del aprendizaje automático en la química

La IA y los conjuntos de datos de entrenamiento se están usando para resolver problemas e innovar en numerosas instituciones científicas de todo el mundo, y abren la puerta a su aplicación en el análisis de datos y el descubrimiento de fármacos.

Nuestro informe técnico reciente ha revelado varias áreas de la química para las que podría ser beneficioso invertir en la tecnología de IA. Las barreras para la adopción son hoy en día excepcionalmente bajas, y socios como CAS pueden dar acceso a grandes conjuntos de datos de calidad para el análisis. La incorporación de la inteligencia artificial a la investigación científica puede ayudar a resolver algunos de los problemas más apremiantes y abrir nuevas oportunidades inaccesibles con el análisis de datos tradicional.

Obtenga más información sobre nuestros análisis y sobre las conclusiones extraídas leyendo el informe técnico o contacte con CAS si tiene alguna pregunta sobre el uso de la tecnología de IA para impulsar su investigación.

La sostenibilidad del sistema global de patentes se enfrenta a la presión generada por el rápido aumento del volumen y la complejidad de las solicitudes de patentes. En los países en los que se está produciendo un mayor crecimiento en el número de solicitudes, el examen de las patentes se retrasa por problemas de capacidad, lo que supone un riesgo para calidad de las patentes, reduce la satisfacción de los consumidores y ralentiza el ritmo de la innovación y la inversión.

Mejorar la calidad de las patentes y la rapidez de la revisión

Reducir los retrasos en la revisión de las solicitudes es una prioridad para las oficinas de patentes, que aspiran a mejorar la satisfacción del cliente y a impulsar la innovación. Las demoras en el proceso crean incertidumbre legal para los inventores y aumentan su reticencia a invertir. Uno de los abogados especializados en patentes más conocidos de Brasil, Juliano Ryota Murakami, socio del bufete Gusmão & Labrunie, subrayó los riesgos para los propietarios de la PI:

“Una demora excesiva en el examen de las patentes es perjudicial para la innovación y el desarrollo económico de un país. Disuade a las empresas de solicitar protección legal para sus inversiones, ya que, cuando se concede al fin la patente, la tecnología protegida puede haber quedado obsoleta. Además, genera incertidumbre en cuanto a la exclusividad de la reproducción y la posible comercialización de las invenciones”.

La tarea de garantizar la rapidez de la tramitación y la calidad de las patentes recae principalmente en los examinadores de patentes y depende de su capacidad para encontrar con celeridad información sobre el estado de la técnica para acelerar las revisiones. Pero las búsquedas de estado de la técnica requieren mucho tiempo, estrategias de búsqueda complejas y unos conocimientos profundos sobre la materia. 

Un análisis de EPO sobre la actividad de búsqueda de sus empleados revela que una búsqueda exhaustiva para una solicitud de patente analiza 1300 millones de registros técnicos en 179 bases de datos, lo que produce unos 600 millones de documentos en los resultados de búsqueda cada mes. No es de extrañar que un estudio de la Oficina de Patentes de Japón haya estimado que los examinadores dedican aproximadamente el 40 % de su tiempo a realizar búsquedas de estado de la técnica y revisar los resultados. La calidad de las patentes puede resentirse si los examinadores no disponen del tiempo requerido, los conocimientos sobre la materia o los recursos técnicos necesarios para acceder fácilmente a la información ya existente. 

Las soluciones de búsqueda basadas en la IA pueden desempeñar un papel importante en todo el ecosistema de patentes por su capacidad para mejorar tanto la eficiencia como la calidad de las patentes. Agilizan las revisiones en las oficinas de patentes y pueden ayudar a los innovadores a identificar antes la información ya existente, lo que evita perder tiempo y dinero en litigios o problemas de validez de patentes deficientes. Por este motivo, se han añadido a las soluciones CAS SciFinder Discovery Platform y STNext^® algoritmos de IA de estado de la técnica para mejorar las búsquedas científicas y de PI.

Las nuevas estrategias fomentan la sostenibilidad

Las demoras e ineficiencias en la revisión de las solicitudes se están resolviendo mediante la adopción de medidas que garantizan la sostenibilidad operativa de las oficinas de patentes a largo plazo. La Oficina Europea de Patentes (EPO) tiene objetivos de sostenibilidad para áreas como la fidelización del personal, la transformación digital, la eficacia del proceso de concesión de patentes y la cooperación internacional de alto impacto. Otras oficinas están definiendo prioridades similares para mejorar su eficacia.

A fin de agilizar las revisiones y mejorar su calidad, las oficinas están contratando a más examinadores de patentes, implementando tecnologías que ayudan a ahorrar tiempo como la IA y transformando sus flujos de trabajo:

• La USPTO contrató a cientos de examinadores en 2021 para gestionar una carga de trabajo creciente en el marco de su plan estratégico para optimizar la calidad y la rapidez de las revisiones de patentes. También está ampliando la implementación de la IA para las clasificaciones y las búsquedas de patentes con el fin de ayudar a los examinadores a acceder a la información sobre el estado de la técnica.
• Ante las previsiones de un aumento del número de solicitudes de dos dígitos en 2021, la Oficina de la Propiedad Intelectual del Reino Unido duplicó su plantilla de examinadores el año anterior. Su programa quinquenal, ideado para agilizar y modernizar los procesos, aspira a alcanzar unas eficiencias de al menos el 3,5 % de los costes operativos básicos. También está evaluando cómo puede usar mejor la IA a medida que aumenta su inversión en la prestación de servicios.
• La EPO, en una importante iniciativa llamada “Master the Prior Art”, está mejorando los procedimientos de clasificación para incrementar la precisión de las búsquedas y obtener los documentos relevantes en una fase más temprana de las revisiones. Está aplicando de forma sistemática la inteligencia artificial, el aprendizaje automático y otras tecnologías para crear un proceso de concesión de patentes digital, completo y más eficiente.

Las oficinas de patentes pueden usar las soluciones basadas en la IA con fines que van más allá de las búsquedas de estado de la técnica. Entre ellos se incluyen la asignación y conversión de clasificaciones, API para mejorar la eficiencia de la entrega de documentos, herramientas en línea para las revisiones y los análisis, etc. Al mejorar la eficiencia, la calidad de las patentes y el servicio al cliente, estas soluciones pueden tener un efecto multiplicador que ayudará a las oficinas de patentes a alcanzar sus objetivos estratégicos de sostenibilidad operativa e innovación global.

La IA y las transformaciones de los flujos de trabajo son estrategias que pueden ayudar a reducir los atrasos en la revisión de solicitudes

CAS, en colaboración con el Instituto Nacional de la Propiedad Industrial (INPI) de Brasil, ha completado recientemente un proyecto cuyo objetivo era agilizar las búsquedas de estado de la técnica con la ayuda de una combinación única de datos seleccionados, inteligencia artificial, flujo de trabajo personalizado y servicios de búsqueda de PI. El proyecto tuvo unos excelentes resultados:

• Hasta un 50 % de reducción de los plazos de análisis
• Un 77 % de todas las solicitudes nacionales procesadas requirieron menos tiempo de búsqueda por parte de los examinadores
• El 29 % de todas las solicitudes nacionales procesadas requirieron pocas búsquedas adicionales o ninguna
• La mejora de la productividad se tradujo en una reducción del 80 % del retraso acumulado por la oficina

Lecciones para optimizar el rendimiento de la IA en las búsquedas de estado de la técnica

Las oficinas de patentes están recurriendo cada vez con más frecuencia a la IA por su capacidad para analizar millones de conjuntos de datos y proporcionar resultados relevantes. Según WIPO, hay más de 70 proyectos de IA en curso en 27 oficinas, entre ellos 19 centrados en las búsquedas de estado de la técnica y los procedimientos de examen de las solicitudes.

Nuestro trabajo con el INPI de Brasil reforzó varios principios básicos para optimizar el uso de la IA en las búsquedas de estado de la técnica:

• Unos datos limpios y estructurados mejoran significativamente la precisión de las predicciones.
• Se necesitan varios algoritmos para detectar similitudes con la máxima relevancia.
• Complementar la tecnología con conocimientos humanos mejora los resultados.

Calidad de los datos: la mayoría de los datos de patentes y bibliografía científica no seleccionados que están disponibles públicamente tienen deficiencias que dificultan su uso en las oficinas de patentes. Suelen contener errores de transcripción, unidades mal etiquetadas y un lenguaje de patentes excesivamente complejo. Los idiomas extranjeros suponen un problema añadido.

Unos datos seleccionados por humanos que se hayan normalizado, preparado y conectado con un formato estructurado mejoran el entrenamiento de los algoritmos de IA y aumentan el rendimiento de las búsquedas de estado de la técnica. Los datos seleccionados permiten encontrar más patentes con similitudes e identifican patentes adyacentes que pueden plantear problemas de obviedad.

Varios algoritmos: el uso de varios algoritmos personalizados para metodologías de búsqueda concretas mejora el rendimiento de la IA. En Brasil, desarrollamos 10 algoritmos para generar la primera ronda de resultados. Otro algoritmo de aprendizaje por conjuntos analizó la selección obtenida para producir un conjunto final de resultados clasificados con un alto grado de relevancia. 

Flujos de trabajo optimizados:  nuestra solución de flujo de trabajo optimizado para el INPI de Brasil redujo a la mitad el número de pasos requeridos para las búsquedas de estado de la técnica. Además, ahorra tiempo reuniendo en una única interfaz en la nube los resultados de patentes y citados en patentes, las referencias y las herramientas para ordenar, filtrar y visualizar los resultados. Los flujos de trabajo personalizados se pueden automatizar totalmente o pueden incluir a expertos en búsquedas externos que validen los modelos de los algoritmos y filtren las búsquedas para aumentar la capacidad de los examinadores. 

¿Le gustaría obtener más información sobre las estrategias de flujos de trabajo basados en la IA empleadas en las oficinas de patentes y descubrir cómo se puede usar la tecnología predictiva para garantizar la sostenibilidad de todo el ecosistema de propiedad intelectual? Lea el informe de CAS Insights: “Una mirada a la sostenibilidad del sistema global de patentes: el papel de la IA en la mejora de la productividad”.

En la carrera para desarrollar tratamientos contra la COVID-19, es esencial que los científicos tengan una visión clara del mecanismo exacto empleado por el virus para entrar en nuestras células. Esta información permitirá el desarrollo de tratamientos antivirales diseñados para bloquear esa ruta.

Las investigaciones disponibles sobre el primer virus SARS-CoV, que apareció en 2002 y causó una epidemia, y sobre el SARS-CoV-2, el coronavirus que ha provocado la pandemia de COVID-19, demuestran que en los dos casos una proteína de la espícula (S) que sobresale de la membrana del virus se une al menos a una proteína, la enzima convertidora de angiotensina 2 (ECA2), de la superficie de las células humanas. Después de unirse, las proteasas, que son enzimas humanas que fragmentan otras proteínas, cortan o “preparan” la proteína de la espícula para eliminar su segmento exterior, conocido como S1, y dejar expuesto el segmento interior, S2. A continuación, el segmento S2 de la proteína de la espícula provoca la fusión de la membrana del virus con las membranas de la célula humana y permite que el material genético del virus entre en la célula y empiece a replicarse. En una entrada reciente del blog se resumió este proceso destacando el papel de ACE2. En esta entrada, profundizaré en el papel de las proteasas humanas, que ayudan al virus a entrar en nuestras células, y repasaré los tratamientos antivirales basados en esa interacción. 

La proteína de la espícula del SARS-CoV-2: historia de dos segmentos

La proteína de la espícula del SARS-CoV-2 tiene una forma similar a un tornillo con una cabeza grande y un tallo largo y delgado (figura 1). Tres proteínas de la espícula se unen entre sí para crear un trímero, que, como es previsible, tiene la forma de un tornillo más grande. El tallo está insertado en la membrana del virus y sujeta la cabeza, que sobresale del virus. La región de la cabeza, de mayor tamaño, y parte del tallo se conocen como región S1 de la proteína de la espícula. El resto del tallo, más cercano a la membrana del virus, se denomina región S2.

Una vez que penetra en el cuerpo y entra en contacto con el aparato respiratorio, el tubo gastrointestinal, los vasos sanguíneos u otras células que expresen ECA2 en sus superficies, la región S1 de la proteína de la espícula se une a ECA2 en la superficie celular y ancla el virus en el exterior de la célula humana. Este es el primer paso del proceso de replicación del virus.

El SARS-CoV-2 entra en las células de dos formas

Una vez que el virus se ha unido a la célula, tiene dos posibles vías de acceso (figura 2). La vía utilizada dependerá de si hay proteasas humanas presentes para “preparar” la proteína de la espícula. La presencia de proteasas depende del tipo de célula humana en la que intenta entrar el virus y de las condiciones concretas existentes en esa célula. Varias proteasas humanas pueden escindir la proteína de la espícula, entre ellas la proteasa transmembrana de serina 2 (TMPRSS2), la furina, la elastasa y la tripsina. La TMPRSS2 se expresa en las células pulmonares humanas. Por este motivo, se cree que desempeña un papel importante en la entrada del virus en las células del aparato respiratorio. 

Si estas proteasas están presentes cerca de la interfaz de unión de la espícula con ECA2, escinden la proteína de la espícula para exponer la región S2 y, en concreto, la región del péptido de fusión de la proteína de la espícula. La región del péptido de fusión de la proteína de la espícula está integrada por aminoácidos más hidrofóbicos o similares a lípidos y se inserta en la membrana celular, que contiene lípidos, para inducir la fusión entre la membrana del virus y la membrana celular y la posterior entrada del genoma del virus en la célula (figura 2a). Esta escisión se debe producir después de la unión entre la espícula y ECA2. Si se da antes, el virus tiene menos capacidad para infectar la célula. 

Si no hay proteasas cerca de la interfaz de unión entre la espícula y ECA2, el virus entra en la célula por otra vía denominada endocitosis (figura 2b). En este proceso, los coronavirus unidos a las proteínas ECA2 del exterior de la célula son envueltos por un entrante de una región pequeña de la membrana celular que, a continuación, se desprende formando una vesícula pinocítica que lleva el material externo al interior de la célula. Después, la vesícula pinocítica se fusiona con una vesícula intracelular rodeada de membrana que se conoce como endosoma. En el endosoma existen proteasas, incluida una denominada catepsina L, que pueden escindir la proteína de la espícula y dejar expuesta la región del péptido de fusión. Este péptido favorece la fusión de la membrana del virus con la membrana del endosoma y permite la entrada del genoma vírico en la célula.

Algunos datos recientes sugieren que puede haber una tercera vía de entrada del SARS-CoV-2 en las células. Cuando el virus se está replicando y creando nuevas partículas víricas dentro de las células, algunas de las proteínas de la espícula pueden haber sido preescindidas o preparadas por una proteasa humana llamada furina durante el proceso de ensamblaje del nuevo virus. Esto significa que, una vez que el virus sale de la célula, los que tienen proteínas de la espícula ya escindidas se pueden fusionar con otras células e infectarlas aunque estas tengan niveles de proteasas demasiado bajos para las dos vías de escisión de la proteína de la espícula “normales” que se han descrito antes.

Planificación del contraataque

Los investigadores están trabajando sin descanso para encontrar fármacos que actúen sobre los pasos de unión de la espícula y ECA2, fusión de las membranas y endocitosis del ciclo de infección para luchar contra la COVID-19. En nuestra entrada anterior hablamos del potencial terapéutico del ECA2 soluble recombinante. Actúa inactivando la proteína de la espícula antes de que el SARS-CoV-2 pueda unirse a ECA2 en la superficie de las células. Pero se están evaluando otros muchos posibles fármacos.

Nafomastat y MI-1851 inhiben las proteasas implicadas en la escisión de la proteína de la espícula (TMPRSS2 y furina, respectivamente) y han demostrado potencial para reducir la infección del SARS-CoV-2 en el tubo de ensayo. También se ha visto que los péptidos, que son proteínas muy cortas similares a pequeñas regiones de la proteína de la espícula, inhiben la fusión de las membranas del virus y la célula humana “taponando” la proteína de la espícula preparada en el virus mientras cambia de forma durante el proceso de fusión de las membranas. Esto impide la entrada del virus. Por último, los inhibidores PIKfyve son bloqueadores conocidos de la infección del SARS-CoV-2. PIKfyve es una cinasa lipídica humana, una enzima que añade un grupo fosfato a algunos lípidos. Como PIKfyve participa en el metabolismo endosómico en la vía endocítica de entrada del virus, los inhibidores de PIKfyve tienen actividad antiviral. 

Estos son solo algunos de los muchos fármacos que se están estudiando como inhibidores de la entrada del SARS-CoV-2. Sin embargo, hay muchas posibles dianas para los investigadores que están buscando tratamientos para la COVID-19. La proteína de la espícula, ECA2, las proteasas que escinden la proteína de la espícula y los componentes de la vía endocítica ya se están estudiando, y hay muchas sustancias que tienen actividad antiviral sobre cada una de estas dianas. Para ayudar a los científicos a identificar algunos de los posibles candidatos en menos tiempo, CAS ha creado un conjunto de datos de código abierto recopilado en CAS REGISTRY^® que incluye medicamentos antivirales conocidos y compuestos químicos relacionados que son estructuralmente similares a antivirales conocidos. Puede obtener más información sobre él y descargar este conjunto de datos y otros recursos de acceso abierto de CAS para la COVID-19 aquí. 

Los cannabinoides son compuestos naturales aislados de la planta Cannabis sativa. Los dos cannabinoides más conocidos son el delta-9-tetrahidrocannabinol (THC) y el cannabidiol (CBD). El THC es el componente psicoactivo del cannabis, asociado al hecho de drogarse. Existe una abundante información sobre el THC y sus derivados, por lo que esta entrada del blog se centra en los cannabinoides menos conocidos, detalla sus principales beneficios identificados en la bibliografía científica y profundiza en sus estructuras químicas.  

Se ha producido un aumento exponencial de los productos comercializados que contienen CBD: aceites, productos de belleza y para el cuidado de la piel, agentes terapéuticos, bebidas, chocolates, gominolas e incluso premios para perros. Esta entrada del blog no constituye un respaldo a ninguno de estos productos, y es importante señalar que el cannabis es ilegal en el ámbito federal y está clasificado como una droga de clase I. Sin embargo, dado que la gente consume estos productos, que en su mayoría se comercializan como “suplementos dietéticos” y, por tanto, no necesitan la aprobación de la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA) de Estados Unidos, es primordial comprender su impacto en la salud humana.

Tendencias de la investigación sobre cannabinoides

Si tomamos el cannabidiol (CBD) como cannabinoide de referencia para analizar la investigación actual sobre las perspectivas terapéuticas de los cannabinoides, una búsqueda rápida en SciFinderⁿ arroja menos de 5000 referencias.

Un análisis más detallado de los resultados revela que los estudios clínicos en humanos suman menos de 200 documentos y que todos los estudios preclínicos (en animales, in vivo, in vitro, ADME e in silico) reúnen menos de 550 resultados. Tal vez esto indique una oportunidad para que las compañías farmacéuticas, los fabricantes de cosméticos, las empresas de nutrición y otros negocios sigan avanzando en la investigación sobre los cannabinoides para el beneficio de la humanidad.  

¿Cómo entran los cannabinoides en nuestro organismo?

Las principales vías de administración son cuatro:

• Respiratoria
• Sublingual
• Oral
• Tópica

Una de las formas más habituales de consumir cannabinoides es fumar la materia vegetal o vapear un aceite de cannabinoide, es decir, por inhalación. Por esta vía, cuando los cannabinoides llegan a los pulmones, se absorben rápidamente y se eliminan también con rapidez del organismo. La inhalación es el método más utilizado para el consumo de cannabis.

Otra vía de administración es la sublingual, que consiste en colocar bajo la lengua aceites o tintes que contienen cannabinoides para que estos se absorban directamente en el torrente sanguíneo. Esta vía hace que los efectos sean más rápidos y duraderos. Los cannabinoides también se pueden ingerir. En este caso, el organismo metaboliza las formas comestibles, pero esto puede tardar bastante más tiempo en provocar los efectos deseados. También es posible usar cannabinoides en forma de sustancias de aplicación tópica como cremas, lociones, esprays, parches o bálsamos. La absorción es el método preferido para el tratamiento de dolores musculares o problemas cutáneos. Los cannabinoides se absorben a través de la piel directamente en el torrente sanguíneo.

Si bien el THC es el cannabinoide más conocido, profundizar en el conocimiento de las estructuras químicas de los cannabinoides no psicoactivos —como el CBD, el CBG, el CBN y el CBC— y de sus efectos contribuirá a entender mejor el nuevo espectro de productos. 

Cannabidiol (CBD)

Tras el THC, el cannabidiol (CBD) es probablemente el cannabinoide más estudiado. El CBD se deriva directamente de la planta de cáñamo y no tiene actividad psicoactiva. La legalidad del CBD cambia constantemente y cada estado tiene su propia legislación al respecto, también en continua evolución. La Facultad de Medicina de la Universidad de Harvard defiende que el CBD se puede utilizar para tratar la ansiedad, el insomnio, el dolor crónico, la artritis y las adicciones. Pero hay algo más importante: el CBD es un componente de algunos medicamentos aprobados por la FDA para tratar enfermedades epilépticas infantiles graves (por ejemplo, Epidiolex). Los principales efectos secundarios del CBD son náuseas, cansancio e irritabilidad. Recuerde que los productos que contienen CBD no están regulados por la FDA y pueden contener impurezas y concentraciones desconocidas. Por tanto, sea precavido y, cuando vaya a comprar productos con CBD, asegúrese siempre de que su procedencia es fiable. 

Cannabigerol (CBG)

Aunque el CBG se descubrió en 1964, se utiliza menos que el CBD o el THC porque se encuentra en concentraciones muy bajas en la planta de cannabis. El CBG interactúa con los receptores cannabinoides del organismo, concretamente con CB1 y CB2. Cuando el CBG se une a estos receptores, aumenta el nivel de los neurotransmisores que modulan la motivación, el apetito, el sueño, el placer y el dolor. El CBG también puede afectar a la serotonina y los receptores adrenérgicos. Estos receptores también controlan los neurotransmisores. Debido al aumento de neurotransmisores que causa, el CBG a veces recibe el nombre “molécula de la felicidad”. Se ha observado que el cannabigerol tiene efectos antibióticos y puede reducir la presión intraocular. 

Cannabinol (CBN)

La planta de cannabis no sintetiza directamente el cannabinol; el CBN es un metabolito producto de la descomposición del THC. Cuando la materia vegetal se expone a oxígeno y tiempo, la concentración de CBN puede aumentar a medida que se produce la degradación del THC. El CBN es un sedante y, como tal, ayuda a combatir el insomnio. Aunque no se ha investigado en profundidad, algunos estudios han revelado que el cannabinol tiene efectos antibióticos, alivia el glaucoma y estimula el apetito. En ratones, se ha observado que el CBN retrasa el inicio de la esclerosis lateral amiotrófica (ELA). Este prometedor compuesto ofrece a los investigadores numerosas oportunidades para buscar usos terapéuticos del CBN.

Cannabicromeno (CBC)

El CBC, derivado del CBG, ha demostrado tener potentes efectos antimicrobianos, especialmente en infecciones resistentes a otros tratamientos antibióticos. Además, en algunos estudios realizados en ratas, se ha observado que el CBC también tiene efectos neuroprotectores que protegen el cerebro de las enfermedades neurodegenerativas (enfermedad de Alzheimer) e incluso estimulan la producción de nuevas células cerebrales. 

El CBC tiene baja afinidad de unión a los receptores cannabinoides, pero sí se une al potencial receptor transitorio vanilloide 1 (TRPV1) y al potencial receptor transitorio anquirina 1 (TRPA1), de los que se sabe que afectan a la percepción del dolor. También se ha determinado que tiene propiedades antineoplásicas. Hay pocos datos procedentes de estudios en humanos sobre el uso del CBC como agente terapéutico, pero las propiedades identificadas en la investigación preliminar invitan a seguir investigando. 

El efecto séquito

Muchos productos del cannabis ofrecen CBD de “espectro completo”, lo que significa que, además de contener CBD, también pueden contener los otros cannabinoides descritos aquí, así como terpenos, aceites esenciales y THC (regulado) en una concentración máxima del 0,3 %. El uso de estos cannabinoides combinados para aumentar la potencia y la eficacia (en oposición a los efectos de cada sustancia química por separado) ha dado lugar a una teoría denominada “efecto séquito”. Sin entrar en demasiados detalles técnicos, en el mecanismo que se ha propuesto para el efecto séquito intervienen lípidos inactivos combinados con cannabinoides exógenos que aumentan la actividad de los cannabinoides endógenos (anandamida y 2-aracidonilglicerol). Aunque la investigación en esta área acaba de empezar, algunos estudios han obtenido resultados positivos en patologías como el cáncer, los trastornos del estado de ánimo y de ansiedad, los trastornos del movimiento y la epilepsia.

Perspectiva de futuro e impacto

Es posible que la mala reputación de los cannabinoides se deba a su asociación con la marihuana y a los efectos psicoactivos del THC y sus derivados. Las cuestiones legales pueden disuadir a los investigadores de seguir estudiando los cannabinoides; sin embargo, los estudios iniciales sobre los cannabinoides aportan datos contundentes que indican que estos compuestos podrían tener beneficios terapéuticos, ya sea como componentes individuales o como activadores de los cannabinoides endógenos del organismo y mediante el denominado “efecto séquito”. En esta entrada del blog hemos tratado algunos de los cannabinoides más conocidos, pero cabe recordar que ya se han identificado más de 100 y todavía quedan más por descubrir. Con suerte, la investigación continuada contribuirá a eliminar el estigma en torno a estas sustancias cannabinoides y permitirá aprovechar todo su potencial en el tratamiento de enfermedades debilitantes.

Esta nueva tendencia de investigación de las drogas de uso recreativo orientada a obtener beneficios para la salud no se limita a los cannabinoides; los psicodélicos como el LSD, el éxtasis y las setas alucinógenas podrían ser los siguientes en sumarse a la lucha contra la depresión y el TEPT.

Se han investigado muchas tecnologías con vistas a posibilitar una economía del hidrógeno. En el ámbito de la utilización del hidrón en celdas de combustible, se han creado numerosos materiales para mejorar las eficiencias y ampliar las aplicaciones.

En este artículo revisado por pares se describen los avances de la investigación de la energía basada en el hidrógeno desde 2011, incluidas las tendencias más recientes. Este estudio se centra, principalmente, en los materiales catalizadores que posibilitan la producción ecológica del hidrógeno y los materials empleados en los procesos técnicos relacionados con las celdas de combustible. También se ofrece un análisis en profundidad del panorama de la investigación sobre la economía del hidrógeno.

El hidrógeno renovable, sin emisiones de carbono y con una densidad energética entre 3 y 10 veces superior a la de los combustibles fósiles, tiene el potencial de, en el futuro, poner fin a nuestra dependencia de los combustibles fósiles. Sin embargo, hoy en día, el 96 % de la producción de hidrógeno está basada en los combustibles fósiles y no es sostenible. Esta panorámica de la economía del hidrógeno verde (producción, almacenamiento y utilización) describe las tendencias emergentes y las oportunidades únicas existentes en este espacio.  

Ha sido un proceso de años, pero el potencial de las vacunas de ARN mensajero (ARNm) al fin se ha hecho realidad gracias a una pandemia global que ha acelerado la investigación y la innovación en ese campo. El éxito de las vacunas de ARNm no habría sido posible sin otra tecnología subyacente: las nanopartículas lipídicas (NPL) que protegen el ARNm y lo introducen en las células. En este artículo analizaremos el panorama de la investigación de las nanopartículas lipídicas y las oportunidades futuras de la nanotecnología más allá de la COVID-19.

Puede obtener más información sobre el proceso que ha llevado de los liposomas a las nanopartículas lipídicas en el informe de CAS Insights sobre la nanotecnología y su aplicación en la administración de fármacos, su papel en la revolución del ARN y las oportunidades que se abren en campos como la cosmética, la agricultura y otros muchos.

Nanotecnología y vacunas de ARNm: ¿una historia de éxito?

Aunque se han desarrollado varias vacunas para luchar contra el SARS-CoV-2, las dos vacunas de ARNm con nanopartículas lipídicas de Moderna y Pfizer-BioNTech han sido las más utilizadas, lo que demuestra el importante papel de la nanotecnología en la respuesta a la pandemia de COVID-19. La administración a gran escala de estas vacunas en 2021 cambió el rumbo de la pandemia y causó una reducción drástica en el número de casos de COVID-19.

Sin embargo, debido a la rápida propagación del virus, han aparecido algunas variantes nuevas del SARS-CoV-2 y se espera que surjan otras, lo que plantea un enorme reto de salud pública. Las variantes clasificadas como preocupantes, como delta y ómicron, han afectado a la eficacia de las vacunas, ya que han reducido el funcionamiento de los anticuerpos neutralizantes. Sin embargo, las nanotecnologías pueden ser la clave en la lucha contra las variantes del SARS-CoV-2. Actualmente, los científicos están explorando varias formas de utilizar la nanotecnología con este fin, lo que incluye los anticuerpos neutralizantes inducidos por la vacuna y transportados por nanopartículas, los anticuerpos neutralizantes modificados y los “nanoseñuelos”. Esta última estrategia requiere crear nanoproteínas que actúen como señuelos e interactúen con el receptor de la enzima convertidora de angiotensina 2 (ECA2) expresado en las células, lo que inhibe la unión del virus con ECA2 y protege a las células del anfitrión frente a la infección. Estas nanotecnologías se han utilizado para acelerar el final de la nueva pandemia de coronavirus, pero ¿cómo podemos aplicar lo aprendido gracias a este intenso esfuerzo investigador en otras áreas con necesidades no resueltas, por ejemplo, otras enfermedades infecciosas globales?

El desarrollo de la tecnología de las nanopartículas lipídicas

Antes de pensar en el futuro, vamos a repasar la historia de la tecnología de nanopartículas lipídicas. Todo empezó en 1965 con el descubrimiento de los liposomas: unas vesículas cerradas con dos capas de lípidos que se crean espontáneamente en el agua para formar cápsulas de grasa. Los investigadores vieron de inmediato su potencial para la administración de medicamentos por su capacidad para encapsular fármacos de moléculas pequeñas y mejorar su solubilidad acuosa (es sabido que más del 40 % de estos agentes tienen una baja solubilidad en agua). Desde el descubrimiento inicial de los liposomas, la tecnología se ha seguido modificando y perfeccionando para optimizar el funcionamiento de las nanopartículas lipídicas y crear fármacos liposómicos y plataformas de administración de fármacos extremadamente versátiles.

Aunque en la actualidad han ganado protagonismo como componentes de las vacunas de ARNm para la COVID-19, las nanopartículas lipídicas se usan con éxito como medicamentos desde hace décadas. En 1995, Doxil, una formulación basada en NPL del agente antineoplásico doxorubicina, se convirtió en el primer medicamento liposómico aprobado. Otro fármaco liposómico, Epaxal, es una formulación a base de NPL de un antígeno de proteína que se usa como vacuna para la hepatitis. Al rebufo de este avance, en 2018 la Food and Drug Administration estadounidense aprobó Onpattro (Patisiran), un fármaco de moléculas de ARN de interferencia pequeño basado en NPL para el tratamiento de las polineuropatías inducidas por la amiloidosis por transtiretina hereditaria. Este hito fundamental allanó el camino para el desarrollo clínico de muchos tratamientos a base de ácidos nucleicos posibilitados por la administración de nanopartículas (puede consultar la figura 1 para ver un cronograma de los principales avances de las nanopartículas lipídicas y leer el informe de CAS Insights para obtener una perspectiva más detallada).

La nanotecnología después de la COVID

Un análisis reciente de CAS Content Collection™ exploró el panorama de la investigación relacionada con las nanopartículas lipídicas. El análisis reveló que de las más de 240 000 publicaciones científicas sobre NPL de CAS Content Collection™, más de 190 000 son del periodo 2000-2021, lo que pone de manifiesto el creciente interés por la nanotecnología. Se prevé un crecimiento aún mayor impulsado por la aplicación de la nanotecnología para combatir enfermedades infecciosas en la estela de la COVID-19 y se calcula que el mercado de la nanomedicina alcanzará un valor de más de 164 000 millones de dólares en 2027.

Aunque las nanopartículas lipídicas gozan de un gran reconocimiento como sistemas de administración de fármacos, esta tecnología no está exenta de limitaciones. Los liposomas —considerados la primera generación de NPL— requieren métodos de producción complejos en los que intervienen disolventes orgánicos, tienen una baja eficiencia de captura de fármacos y son difíciles de aplicar a gran escala. Aunque algunos avances clave de la nanotecnología, como el desarrollo de nanopartículas lipídicas sólidas y de portadores lipídicos nanoestructurados, han ayudado a resolver estos problemas (consulte la tabla 1), siguen existiendo obstáculos. Los costes de fabricación, la escalabilidad, la seguridad y la complejidad de los nanosistemas se deben tener en cuenta y se deben comparar con los posibles beneficios. Para superar las limitaciones actuales de esta tecnología, los investigadores están estudiando la siguiente generación de nanopartículas lipídicas y explorando sistemas de administración más sofisticados con prestaciones mejoradas.

Tabla 1. Tipos de nanopartículas lipídicas: estructura y función

El éxito en la aplicación de la nanotecnología en las vacunas de ARNm para la COVID-19 ha generado un interés renovado por el uso de esta tecnología para tratar enfermedades infecciosas como la malaria, la tuberculosis (TB) y el virus de la inmunodeficiencia humana (VIH), entre otras. La nanotecnología tiene el potencial de transformar tanto la detección como el tratamiento de estas enfermedades. La versatilidad de la tecnología significa que los tratamientos encapsulados en liposomas, nanopartículas de polímeros y cristales de nanomedicamentos se pueden administrar de forma local o sistémica para su liberación gradual o inmediata. Las posibilidades son ilimitadas.

Sin embargo, aunque algunas enfermedades infecciosas (como el VIH) han sido objeto de numerosos esfuerzos de investigación, otras como la malaria y la tuberculosis se han abordado con menos entusiasmo. La financiación (o la falta de ella) ha sido tradicionalmente un factor que ha limitado el progreso de las nanotecnologías en estas áreas con carencias no resueltas. Pero eso puede estar a punto de cambiar. Un equipo de la Johns Hopkins está desarrollando una plataforma para acelerar el diseño de nanopartículas lipídicas para la administración de medicamentos genéticos, lo que hace que el proceso sea mucho más asequible. El equipo está usando esa tecnología para desarrollar una vacuna contra la malaria que ataque al parásito que causa la enfermedad durante su ciclo de vida en el hígado.

Se abre un futuro brillante para la nanotecnología

La nanotecnología ha abierto un nuevo horizonte en la ciencia, especialmente en la medicina. El uso de nanopartículas lipídicas como vector de administración de las vacunas de ARNm contra la COVID-19 contribuirá probablemente a ampliar el alcance de las investigaciones futuras. Surgirán diseños de nanoportadores más sofisticados y multifuncionales que permitirán abordar carencias actuales y futuras que aún no se han resuelto.

Consulte el informe de CAS Insights para obtener un análisis más detallado de las oportunidades pasadas, presentes y futuras para las tecnologías de nanopartículas lipídicas.

El programa Artemis de la NASA es un increíble regreso a la luna que puede redefinir la alimentación de los humanos futuros tanto en el espacio como en la Tierra. Se han aprobado siete experimentos centrados en plantas para entender lo que se necesita para cultivar plantas con éxito en el espacio. Además de la agricultura espacial, innovaciones como los envases y alimentos impresos 3D y las nuevas aplicaciones de los microbiomas podrían tener implicaciones importantes para los alimentos en la Tierra. Los desafíos relacionados con el diseño de alimentos en el espacio (vida útil, ciclos de bucle cerrado, nutrición e imposibilidad de cocinar) pueden mejorar el acceso a la nutrición en los entornos más difíciles de nuestro planeta.  

¿Cuáles son los requisitos esenciales para los alimentos en el espacio?

Aunque en la Tierra la mayoría de nosotros se centra en aspectos como la variedad y la nutrición en la dieta, los criterios más importantes para los sistemas de alimentación en el espacio son, entre otros, los siguientes:

1. Seguridad de los alimentos: evitar el desperdicio de comida, procesar los residuos y reciclar con ecosistemas avanzados de bucle cerrado para el cultivo de plantas
2. Fiabilidad: capacidad de soportar las condiciones extremas del espacio, larga duración y tamaño mínimo
3 Densidad de nutrientes y disfrute (sabor agradable, variedad, facilidad de preparación, etc.)

El espacio plantea algunos desafíos únicos

Cultivar plantas en el espacio plantea algunos retos, ya que se trata de un ecosistema cerrado sin gravedad, sin luz solar directa, con una cantidad limitada de espacio y con un suministro limitado de agua. La ausencia de gravedad significa que cocinar es difícil y se debe minimizar el consumo de los recursos disponibles en la nave (masa, energía, tiempo de la tripulación, agua, eliminación de residuos). Los alimentos preenvasados no son siempre viables a causa del deterioro de los nutrientes y de las enormes cantidades necesarias. En el futuro, la exploración del espacio profundo requerirá años de viaje con un suministro limitado de alimentos y agua y sin posibilidades de reabastecimiento.

Tendencias de publicación y patentes

Las publicaciones y patentes de la NASA y de otras agencias sobre alimentos en el espacio existen desde hace décadas. Usamos CAS Content Collection™ para analizar las publicaciones científicas internacionales relacionadas con los sistemas de vida y de alimentos en el espacio entre 2000 y 2022. El panorama de la investigación muestra que los grandes anuncios de nuevos programas espaciales generan un aumento de las publicaciones y patentes futuras en todo el mundo. Por ejemplo, la Estación Espacial Internacional ha realizado un enorme esfuerzo desde su anuncio en 1993. El incremento en el número de publicaciones y patentes desde entonces tiene una alta correlación con los más de 2500 experimentos que se han llevado a cabo desde ese año. Del mismo modo, hay una tendencia clara de aumento de la investigación desde el anuncio en 2011 del programa Tripulación Comercial de la NASA y otro pico tras el lanzamiento del programa Artemis en 2017 (figura 1).

Nuevas soluciones: alimentos espaciales impresos en 3D

¿Una pizza que no es de este mundo? Perdón por el juego de palabras, pero los nuevos avances en el uso de la impresión 3D para producir alimentos que se han llevado a cabo en la Estación Espacial Internacional podrían tener un enorme impacto en algunos de los principales problemas alimentarios que sufrimos en la Tierra. Las impresoras 3D producen diferentes diseños y dietas personalizadas añadiendo a los alimentos ingredientes concretos. Hoy en día, las tintas para las impresoras 3D se pueden componer de carne y hortalizas deshidratadas y lácteos en polvo reforzados con los micronutrientes requeridos. Algunas de las tintas comestibles más comunes en estas impresoras son de puré de patatas, chocolate, masa, queso, nata, glaseado para tartas y frutas.

Esta tecnología es crucial para aumentar la duración de los alimentos en el espacio. Gracias a ella, los materiales alimentarios pueden ser estériles y se almacenan como materias primas. Además, esto minimiza el espacio de almacenamiento a bordo.

Uso de microbios para producir nutrientes

Los investigadores están estudiando distintos tipos de bacterias para convertir los componentes del aire y los residuos corporales en nutrientes. Por ejemplo, algunas bacterias —los hidrogenótrofos (microorganismos unicelulares que metabolizan el hidrógeno con un aporte de energía)— podrían convertir el dióxido de carbono exhalado por los astronautas en proteínas por medio de un proceso similar a la fermentación. Otros investigadores descubrieron que la Yarrowia lipolytica, emparentada con la levadura de panadería, se puede usar para producir lípidos e incluso plásticos alimentándola con orina humana, lo que abre la posibilidad de transformar un residuo natural en nutrientes esenciales para la salud humana.

Alimentos preenvasados

Aunque los alimentos deshidratados o congelados son esenciales, la NASA está estudiando otras tecnologías de conservación de alimentos en busca de nuevas estrategias. Por ejemplo, la esterilización térmica asistida por presión y la esterilización con microondas garantizan una calidad inicial y una nutrición superiores en los alimentos preenvasados. También se están investigando técnicas mejores de preenvasado para aumentar la duración de los alimentos a hasta 5 años.

Sistemas de bucle cerrado y agricultura espacial

La mejor opción para contar con una fuente constante de nutrición adecuada es cultivar productos en la nave espacial. La existencia de una granja espacial facilitaría la creación de un entorno sostenible, ya que las plantas se pueden usar para reciclar las aguas residuales, generar oxígeno, purificar el aire e incluso reciclar las heces en la nave. Actualmente existe un huerto espacial conocido como Veggie. Puede alojar seis plantas y se ha usado para cultivar con éxito lechuga, col china, mostaza mizuna, kale ruso rojo y zinnias. Aquí puede encontrar una lista de las plantas que se han cultivado en el espacio a lo largo de las cuatro últimas décadas.

Implicaciones de los alimentos espaciales para nuestro planeta

La investigación en esta área de los alimentos espaciales puede contribuir a desarrollar una relación mejor y más sostenible entre nuestros alimentos y el planeta. Los invernaderos de bucle cerrado y la agricultura vertical se pueden usar en zonas áridas, polares, remotas o con una densidad de población elevada por sus bajos requisitos de agua y suelo. Producir carne usando componentes del aire podría reducir la ganadería y recortar drásticamente el uso de suelo y agua. Un purificador de aire avanzado creado para los alimentos espaciales se está utilizando actualmente para la conservación de la comida y en quirófanos.

La impresión 3D de alimentos podría desempeñar un papel esencial en la lucha contra la carestía de alimentos aquí en la Tierra. Las impresoras 3D pueden crear alimentos de un modo más rápido y más limpio que cualquier chef y también permiten personalizar las texturas y los valores nutricionales. Por otra parte, las tintas comestibles pueden ampliar el uso de fuentes no tradicionales de materiales alimentarios.

Todas estas tecnologías pueden reducir el volumen en el transporte, el envasado, la distribución y otros costes acercando la producción a los clientes, lo que se traducirá en una menor huella ecológica. Los beneficios derivados de la investigación constante en la exploración espacial se pueden ampliar así al entorno de la Tierra y a sus habitantes, y pueden proporcionar ideas para mantener y proteger los ecosistemas terrestres.

Además de ser fundamentales para los procesos fisiológicos normales de las células, los azúcares desempeñan un papel esencial en algunos procesos patológicos. Las bacterias y los virus pueden incluso reconocerlos para infectar a sus huéspedes. Aunque siguen siendo un tema de investigación esquivo, el campo de la glicobiología ha captado en los últimos años la atención de investigadores de un amplio abanico de disciplinas. Una de esas herramientas es la química bioortogonal, que se puede usar para obtener imágenes de los glicanos, las estructuras de carbohidratos que se unen a las proteínas y los péptidos (figura 1). 

Hace poco, el grupo de investigación de Carolyn Bertozzi, pionero en el campo de la química bioortogonal desde hace muchos años, recurrió a esta técnica para realizar el impresionante descubrimiento de una nueva biomolécula, el glicoARN. En este artículo, profundizaremos en el mundo de la química bioortogonal y sus aplicaciones, y analizaremos, en particular, cómo ha contribuido al avance del campo de la glicobiología y las oportunidades que se abren ante nosotros.

¿Qué es la química bioortogonal?

El término "química bioortogonal" fue acuñado por el grupo de investigación de Bertozzi, que lidera la investigación en este campo desde hace muchos años. La química bioortogonal es un conjunto de reacciones que pueden producirse en entornos biológicos con un efecto mínimo en las biomoléculas o una interferencia mínima con los procesos bioquímicos. El proceso de la química bioortogonal cumple los estrictos criterios necesarios para que las reacciones se produzcan tal y como se darían en los sistemas biológicos:

• Las reacciones se deben producir a las temperaturas y los valores de pH de los entornos fisiológicos.
• Las reacciones deben generar productos de forma selectiva y con un alto rendimiento, y no deben verse afectadas por el agua ni por los nucleófilos, electrófilos, reductores u oxidantes endógenos presentes en entornos biológicos complejos.
• Las reacciones deben ser rápidas incluso a concentraciones bajas y deben generar productos de reacción estables.
• En las reacciones deben participar grupos funcionales que no estén presentes de manera natural en los sistemas biológicos.

¿Para qué se usa la química bioortogonal?

La CAS Content Collection^TM nos ha permitido analizar las tendencias de publicación relacionadas con las aplicaciones de la química bioortogonal entre 2010 y 2020 (figura 2). La obtención de imágenes fue el principal uso de la química bioortogonal entre 2010 y 2020, seguido por el desarrollo y la administración de medicamentos.

(*Se seleccionó 2010 como punto de referencia inicial porque fue el primer año en el que el número de documentos que contenían el término "química bioortogonal" aumentó significativamente con respecto al año anterior. Aproximadamente el 90 % del número total de documentos que contienen los términos "bioortogonal" o "bio-ortogonal" se han publicado desde 2010).

Además, la química bioortogonal de las proteínas representa el mayor número de publicaciones, probablemente porque estos métodos son los más establecidos, aunque otros campos como el de los glicanos, relativamente nuevo, están aumentando de manera gradual (figura 3).

Obtención de imágenes de glicanos

La química bioortogonal ha demostrado ser una herramienta esencial para entender las estructuras, la localización y las funciones biológicas de los glicanos. Los glicanos son oligosacáridos unidos a péptidos, proteínas y lípidos que suelen encontrarse en las paredes de las células, lo que permite utilizarlos para visualizar diversos tipos de células de manera selectiva. Entre los precursores metabólicos de los glicanos se incluyen numerosas funcionalidades bioortogonales, como las azidas, los alquinos terminales y los alquinos tensionados. Los glicanos se pueden visualizar usando el reactivo bioortogonal adecuado; por ejemplo, las azidas se ven con ésteres o tioésteres que contienen fosfano mediante ligaciones de Staudinger clásicas o "traceless" (sin rastro); los alquinos terminales y los alquinos tensionados se identifican usando reacciones CuAAC o SPAAC, respectivamente.

La química bioortogonal impulsa el avance de la glicobiología

Hasta ahora, el ARN no era una de las principales dianas de la glicosilación; sin embargo, el marcaje metabólico y la química bioortogonal han hecho posible un extraordinario descubrimiento reciente: el "glicoARN". Usando una batería de métodos químicos y bioquímicos, el Dr. Ryan A. Flynn dirigió un grupo de investigación de Bertozzi que descubrió que los ARN pequeños no codificantes conservados contienen glicanos sialilados y que estos glicoARN están presentes en numerosos tipos de células y especies de mamíferos tanto en cultivos celulares como in vivo.

Para realizar este descubrimiento se marcaron metabólicamente células o animales con azúcares precursores funcionalizados con un grupo de azidas compatible con las reacciones click. Los azidoazúcares permiten la reacción bioortogonal con una sonda de biotina para el enriquecimiento, la identificación y la visualización tras la incorporación en el glicano celular. Se comprobó que, al usar un precursor del ácido siálico marcado con azida, la N-azidoacetilmanosamina peracetilada (Ac4ManNAz), las preparaciones de ARN muy purificadas presentaban reactividad de las azidas. El ensamblaje del glicoARN depende de la maquinaria biosintética canónica de los N-glicanos y da como resultado estructuras enriquecidas en ácido siálico y fucosa. Un análisis adicional de las células vivas reveló que la mayoría de los glicoARN estaban presentes en la superficie celular, en la que interactúan con los anticuerpos anti-ARNbc y con miembros de la familia de receptores Siglec. Es necesario seguir investigando para entender el papel del glicoARN.

Con la ayuda de la química bioortogonal, se estableció un nexo directo entre la biología del ARN y la glicobiología, y hay ahora otros muchos descubrimientos que se pueden explorar.

¿Qué oportunidades abre el futuro de la química bioortogonal?

La química bioortogonal tiene una amplia gama de aplicaciones científicas y médicas y, en los últimos años, ha permitido realizar importantes avances en el ámbito de la investigación. Además de impulsar el campo de la glicosilación gracias al descubrimiento de las moléculas de glicoARN, abre la puerta a algunas aplicaciones prometedoras en la administración de medicamentos y la administración selectiva de medicamentos, y es probable que su uso siga aumentando en el futuro. Veamos algunos ejemplos:

• Síntesis in situ de agentes farmacéuticos: la química bioortogonal puede resultar útil para ensamblar fármacos a partir de precursores más pequeños. Al crear los fármacos como y cuando se necesiten, podrían ser más efectivos y menos tóxicos, y el alcance de la intervención farmacológica también podría ampliarse.
• Marcaje de glicanos: se han generado nanopartículas lipídicas que contienen galactosaminas marcadas con azidas usando ligandos de folato. Debido a la presencia de un mayor número de receptores de folato en el tejido tumoral, se produjo la internalización de las nanopartículas lipídicas (NPL) seguida de la liberación de la carga dentro de las células tumorales. Las membranas tumorales incorporaron la dibenzociclooctina funcionalizada con azida y activaron una respuesta inmunitaria cuando las células tumorales se expusieron a sueros humanos.
• Click para liberar: este método usa la química bioortogonal para controlar el momento y la ubicación de la liberación del fármaco, lo que hace que su toxicidad se limite a las células objetivo.

Con el desarrollo y el perfeccionamiento continuos de las reacciones, la química bioortogonal está llamada a ser una herramienta importante para las investigaciones futuras.

Consulte el artículo publicado en Bioconjugate Chemistry y el informe de CAS Insights relacionado para obtener información detallada sobre la química bioortogonal y su amplia gama de aplicaciones.