Descubrimientos científicos: tendencias emergentes de interés para 2024

En diferentes disciplinas y sectores se producen descubrimientos científicos a diario. ¿Cómo puede mantenerse al tanto de las tendencias emergentes en un panorama tan dinámico como este? En CAS, tenemos una visión única de los avances científicos recientes y los descubrimientos históricos en los que se basan y contamos además con la experiencia necesaria para aprovechar las oportunidades futuras. En 2023, identificamos los principales descubrimientos científicos, y 2024 tiene aún más que ofrecer. Entre las tendencias emergentes más prometedoras se incluyen la expansión acelerada de la química verde, la descarbonización de la energía, la validación clínica de CRISPR, el auge de los biomateriales y los nuevos avances en el tratamiento de enfermedades que, hasta la fecha, no respondían a los fármacos, desde el cáncer hasta los trastornos neurodegenerativos.  

El auge de la IA en la I+D

Aunque el campo de la IA siempre ha mirado al futuro, su revolución en los ámbitos de la química y el descubrimiento de fármacos aún no se ha completado. A pesar de algunos tropiezos notorios, hay varios avances que conviene vigilar de cerca a medida que este campo evoluciona. La IA generativa está transformando el descubrimiento de fármacos, el aprendizaje automático está ganando terreno en la investigación medioambiental y los modelos grandes de lenguaje como ChatGPT se están poniendo a prueba en aplicaciones sanitarias y en entornos clínicos.  

Muchos científicos siguen con atención la evolución de AlphaFold, el software de predicción de estructuras de proteínas de DeepMind que revolucionó la comprensión de las proteínas. Recientemente, DeepMind e Isomorphic Labs han anunciado mejoras en la precisión de su último modelo, que puede generar predicciones para casi todas las moléculas del Protein Data Bank y ha ampliado su cobertura para incluir ligandos, ácidos nucleicos y modificaciones postraduccionales. El descubrimiento de anticuerpos terapéuticos impulsado por la IA también está ganando popularidad, y plataformas como el motor de descubrimiento de anticuerpos de RubrYc Therapeutics contribuirán a impulsar la investigación en esta área.

Aunque muchas personas ven con interés el desarrollo de la IA, han surgido dudas sobre la precisión y la accesibilidad de los datos de entrenamiento, la imparcialidad y los sesgos, la falta de supervisión legal, las repercusiones en el mundo académico, la investigación y la publicación, las alucinaciones en los modelos grandes de lenguaje y las amenazas de infodemia para la salud pública. No obstante, es inevitable que se sigan produciendo mejoras en el ámbito de la IA, de modo que es esperable que surjan muchos nuevos avances e innovaciones a lo largo de 2024.

Una química verde aún más verde

La química verde es un campo en rápida evolución que busca constantemente formas innovadoras de minimizar el impacto medioambiental de los procesos químicos. Hay varias tendencias nuevas en las que se están produciendo avances importantes:

• Mejora de las predicciones y los resultados de la química verde: uno de los principales retos de la química verde es predecir el impacto medioambiental de los nuevos procesos y sustancias químicas. Los investigadores están desarrollando nuevos modelos y herramientas computacionales que pueden ayudar a predecir esos efectos con más precisión. Esto permitirá a los químicos diseñar sustancias químicas más seguras y respetuosas con el medioambiente.
• Reducción de los plásticos: cada año se generan más de 350 millones de toneladas de residuos plásticos. En todo el ecosistema de fabricantes, proveedores y minoristas, es esencial reducir el consumo de plásticos de un solo uso y microplásticos. Las nuevas estrategias de generación de valor diseñadas por innovadores como MiTerro, que reutilizan los residuos de biomasa y los subproductos industriales para fabricar alternativas al plástico más baratas y respetuosas con el medioambiente, se convertirán pronto en expectativas industriales. Reducir los costes y la huella de los plásticos será importante en toda la cadena de suministro.     
• Química alternativa para las baterías: en el espacio de las baterías y el almacenamiento de energía será fundamental encontrar alternativas a "elementos en peligro de extinción" como el litio y el cobalto. Estos componentes esenciales de muchas baterías se están convirtiendo en materiales escasos y costosos. Las nuevas inversiones en baterías de litio-ferrofosfato (LFP) que no usan níquel y cobalto han aumentado, y se prevé que alcanzarán una cuota del 45 % en el mercado de vehículos eléctricos en 2029. Está previsto seguir investigando para impulsar el desarrollo de materiales alternativos como el sodio, el hierro y el magnesio, que son más abundantes, económicos y sostenibles. 
• Catalizadores más sostenibles: los catalizadores aceleran una reacción química o reducen la energía necesaria para provocarla sin consumirse. Los metales nobles son unos catalizadores excelentes, pero son caros y su extracción provoca daños medioambientales. Incluso los catalizadores de metales no nobles pueden ser tóxicos a causa de la contaminación y de la dificultad de gestionar sus residuos. Los catalizadores sostenibles se componen de elementos abundantes en la tierra que no son tóxicos. En los últimos años, se han multiplicado los esfuerzos dirigidos a desarrollar catalizadores sostenibles que sean más respetuosos con el medioambiente y permitan reducir el uso de metales preciosos. Los nuevos descubrimientos relacionados con los catalizadores, sus funciones y su impacto medioambiental impulsarán avances importantes en la reducción de la huella de carbono.  
• Reciclaje de baterías de iones de litio: en el campo del reciclaje de las baterías de iones de litio se ha producido un aumento de las inversiones y se han publicado más de 800 patentes en 2023. El uso de electrolitos sólidos o electrolitos líquidos no inflamables puede mejorar la seguridad y la durabilidad de las baterías de iones de litio y reducir su uso de materiales. Por último, un método para fabricar electrodos sin disolventes podría reducir el uso de disolventes desaconsejados como la N-metil-2-pirrolidona, que se deben reciclar y manejar con cuidado para evitar las emisiones.

Auge de los biomateriales

Los nuevos materiales para aplicaciones biomédicas podrían revolucionar muchos segmentos de la atención sanitaria en 2024. Es el caso, por ejemplo, de los materiales bioelectrónicos, que forman interfaces entre dispositivos electrónicos y el cuerpo humano, como el sistema de interfaz cerebro-computadora que está desarrollando Neuralink. Este sistema, integrado por una red de electrodos biocompatibles que se implanta directamente en el cerebro, recibió la aprobación de la FDA para iniciar ensayos en humanos en 2023.

• Materiales bioelectrónicos: suelen ser híbridos o compuestos con materiales de escala nanoscópica, polímeros conductores con diseños sofisticados o sustancias biorreabsorbibles. Los dispositivos desarrollados recientemente pueden implantarse, usarse durante un tiempo y reabsorberse de forma segura en el organismo sin necesidad de extracción. Estas propiedades se han demostrado con una combinación de sensor y receptor de alimentación inalámbrico totalmente biorreabsorbible fabricado con zinc y un polímero biodegradable (ácido poliláctico).
• Biomateriales naturales: estos materiales biocompatibles y derivados de sustancias presentes en la naturaleza (como el quitosano, los nanomateriales de celulosa y la seda) se han usado para fabricar biomateriales multifuncionales avanzados en 2023. Por ejemplo, para tratar la enfermedad de Parkinson se ha diseñado un implante cerebral de hidrogel inyectable que se basa en la reticulación reversible que se forma entre el quitosano, el ácido tánico y las nanopartículas de oro.
• Biotintas: se usan para la impresión 3D de órganos y el desarrollo de trasplantes, que podrían revolucionar la atención a los pacientes. Actualmente, estos modelos se utilizan para estudiar la arquitectura de diversos órganos, por ejemplo, los modelos de corazones tridimensionales impresos para los trastornos cardiacos y los modelos de pulmones tridimensionales impresos utilizados para probar la eficacia de distintos medicamentos. Las biotintas especializadas mejoran la calidad, la eficacia y la versatilidad de los órganos y las estructuras impresas 3D, así como sus resultados. Por último, nuevos métodos como la fabricación aditiva volumétrica de biotintas puras a base de seda están abriendo nuevas fronteras de innovación para la impresión 3D.

Hasta la luna y más allá

Artemis es un programa de exploración espacial internacional dirigido por la NASA cuyo fin es llevar a la primera mujer y la primera persona de color a la luna en 2025 en el marco del objetivo a largo plazo de establecer una presencia humana sostenible en la luna. Además, la misión de la NASA conocida como Europa Clipper, cuyo lanzamiento está previsto en 2024, orbitará alrededor de Júpiter y volará junto a Europa, una de las lunas de Júpiter, para estudiar la presencia de agua y su habitabilidad. La misión china Chang’e 6 planea traer muestras lunares a la Tierra para realizar nuevos estudios. La misión Martian Moons Exploration (MMX) de la agencia japonesa JAXA tiene el objetivo de obtener muestras de Fobos, una de las lunas de Marte. Boeing también tiene previsto realizar un vuelo de prueba con su cápsula espacial reutilizable Starliner, que puede llevar a sus pasajeros a órbitas terrestres bajas.

El impacto de Artemis en la I+D se extiende a campos que van más allá de la ingeniería espacial. Entre ellos:

• Robótica: los robots desempeñarán un papel crucial en el programa Artemis y realizarán numerosas tareas, como la recogida de muestras, la construcción de infraestructuras y la investigación científica. Esto impulsará el desarrollo de nuevas tecnologías robóticas, como sistemas autónomos y manipuladores hábiles. 
• Medicina espacial: el programa Artemis exigirá el desarrollo de nuevas tecnologías para proteger a los astronautas frente a los riesgos de los viajes espaciales, como la exposición a la radiación y la microgravedad. Eso generará descubrimientos científicos en los ámbitos del diagnóstico médico, los tratamientos y las contramedidas.
• Ciencias de la Tierra: el programa Artemis ofrecerá una oportunidad única de estudiar la luna y su entorno, lo que proporcionará nuevos datos sobre la historia, la geología y el clima de la Tierra.
• Ciencias de los materiales: las condiciones extremas del entorno espacial requerirán nuevos materiales ligeros, duraderos y resistentes a la radiación que tendrán aplicaciones en numerosos sectores, como el aeroespacial, la construcción y la energía. 
• Tecnología de la información: el programa Artemis generará una enorme cantidad de datos que se tendrán que procesar, analizar y compartir en tiempo real. Esto impulsará el desarrollo de nuevas tecnologías de la información, como la computación en la nube, la inteligencia artificial y el aprendizaje automático. 

Los beneficios de CRISPR

Tras años de investigación, tropiezos y avances mínimos, se ha obtenido la primera prueba formal de CRISPR como tecnología de plataforma terapéutica en el ámbito clínico. Intellia Therapeutics recibió la autorización de la FDA para iniciar un decisivo ensayo de fase 3 de un nuevo fármaco para el tratamiento de la amiloidosis hereditaria por transtirretina (ATTRv) y, usando el mismo ARNm Cas9, obtuvo un nuevo medicamento que trata una enfermedad diferente, el angioedema. Este resultado se logró modificando tan solo 20 nucleótidos del ARN guía, lo que sugiere que CRISPR se puede usar como tecnología de plataforma terapéutica en el contexto clínico.

El segundo gran momento de la tecnología de desarrollo de medicamentos CRISPR llegó cuando Vertex y CRISPR Therapeutics anunciaron la autorización de la primera terapia de edición genética CRISPR/Cas9, CASGEVY™, por parte de la MHRA del Reino Unido para el tratamiento de la anemia de células falciformes y la beta-talasemia dependiente de transfusiones. Es la primera aprobación de una terapia basada en CRISPR para uso humano y es un hito decisivo para la materialización del potencial de CRISPR para mejorar la salud humana.

Además de una excepcional capacidad de edición genómica, el sistema CRISPR-Cas ha demostrado su eficacia en muchas aplicaciones, incluido el diagnóstico temprano del cáncer. La ingeniería del genoma y el transcriptoma basada en CRISPR, CRISPR-Cas12a y CRISPR-Cas13a parecen tener las características necesarias para convertirse en herramientas de detección fiables para el tratamiento y el diagnóstico del cáncer. El sistema de biodetección basado en CRISPR-Cas abre la puerta a una nueva era de diagnósticos precisos para los primeros estadios del cáncer.

Los ingenieros del MIT también han diseñado un nanosensor integrado por nanopartículas con codificación de ADN que se puede usar como biomarcador urinario para diagnosticar los primeros estadios de cáncer con un simple análisis de orina. Los sensores, que pueden detectar proteínas cancerosas, también podrían distinguir el tipo de tumor o su respuesta al tratamiento.

El fin del cáncer

El campo de la inmunooncología ha experimentado un enorme crecimiento en los últimos años. Los productos aprobados, como las citocinas, las vacunas, los anticuerpos monoclonales dirigidos a tumores y los bloqueadores de puntos de control inmunitarios, siguen ganando cuota de mercado. Nuevas terapias como TAC01-HER2 se están sometiendo actualmente a ensayos clínicos. Esta excepcional terapia usa linfocitos T autólogos modificados genéticamente para expresar receptores de acopladores de antígenos de linfocitos T (TAC) que reconocen la presencia del receptor 2 de factor de crecimiento epidérmico humano (HER2) en las células tumorales para eliminarlas. Este tratamiento podría ser prometedor para los tumores sólidos HER2 positivos con metástasis.

Otra estrategia prometedora trata de usar células CAR-T contra los tumores sólidos en combinación con una vacuna que refuerza la respuesta inmunitaria. El refuerzo inmunitario ayuda al organismo a crear más linfocitos T anfitriones que pueden actuar sobre otros antígenos tumorales que las células CAR-T no pueden matar.

Otra tendencia destacable es el desarrollo de tratamientos personalizados mejorados y eficaces. Por ejemplo, una vacuna de neoantígenos de ARN personalizada basada en nanopartículas integradas por lipoplejos de ARNm de uridina que se ha desarrollado recientemente ha demostrado ser eficaz contra el adenocarcinoma ductal de páncreas (PDAC). Los principales retos de la inmunooncología son la resistencia a los tratamientos, la falta de biomarcadores predecibles y la heterogeneidad de los tumores. Por ello, diseñar nuevas estrategias de tratamiento podría ser una prioridad de investigación en el futuro.

Descarbonización de la energía

Se están llevando a cabo numerosas iniciativas bien financiadas para descarbonizar la producción energética mediante el reemplazo de las fuentes de energía a base de combustibles fósiles con fuentes que no generen CO2 (o que generen mucho menos) en 2024.

Una de estas iniciativas consiste en incorporar dispositivos de almacenamiento de energía a gran escala en la red eléctrica existente. Esto es esencial para permitir el uso de fuentes renovables, ya que proporcionan suministro y demanda adicionales de electricidad para complementar las fuentes renovables. Se están desarrollando varios tipos de almacenamientos para la red eléctrica que varían en cuanto a la cantidad de energía que pueden almacenar y la rapidez con la que pueden descargarla en la red. Algunos son físicos (baterías inerciales, centrales hidroeléctricas reversibles, aire comprimido) y otros químicos (baterías tradicionales, baterías de flujo, supercondensadores e hidrógeno), pero todos ellos son objeto de investigaciones activas en los campos de la química y el desarrollo de materiales. El gobierno de Estados Unidos está apoyando el desarrollo en esta área por medio de desgravaciones fiscales en el marco de la Ley de Reducción de la Inflación y de un programa de 7000 millones de dólares cuyo objetivo es crear centrales de hidrógeno regionales.

Por otra parte, la energía nuclear seguirá siendo un área de I+D activa en 2024. En el ámbito de la fisión nuclear, numerosas empresas están desarrollando reactores modulares pequeños (SMR) para su uso en la producción de electricidad y la fabricación química, incluido el hidrógeno. El desarrollo de reactores de fusión nuclear exige investigación fundamental en el terreno de la física y la ciencia de los materiales. Uno de los principales retos es encontrar un material que se pueda usar en la pared del reactor que está en contacto con el plasma de fusión; hasta ahora, entre los materiales candidatos se incluyen aleaciones de alta entropía e incluso metales fundidos.

Enfermedades neurodegenerativas

Las enfermedades neurodegenerativas son un importante problema de salud pública, dado que son una de las principales causas de fallecimientos e incapacidad en todo el mundo. Aunque actualmente no existe cura para ninguna enfermedad neurodegenerativa, los nuevos descubrimientos científicos y la comprensión de estas vías pueden ser cruciales para ayudar a los pacientes.

• Enfermedad de Alzheimer: dos medicamentos inmunoterapéuticos han recibido la aprobación de la FDA para reducir el deterioro cognitivo y funcional en pacientes que se encuentran en las primeras fases de la enfermedad de Alzheimer. Aducannumab (Aduhelm®) recibió una aprobación acelerada en 2021 y es el primer tratamiento nuevo aprobado para el alzhéimer desde 2003 y el primero que actúa sobre la fisiopatología de la enfermedad reduciendo las placas de beta-amiloide en el cerebro de los pacientes que sufren los primeros estadios de esta enfermedad. Lecanemab (Leqembi®) recibió una aprobación tradicional en 2023 y es el primer medicamento que actúa sobre la fisiopatología de la enfermedad que ha mostrado beneficios clínicos, como la reducción del progreso de la enfermedad y la ralentización del deterioro cognitivo y funcional de adultos que sufren las primeras etapas del alzhéimer.
• Enfermedad de Parkinson: se están investigando algunas nuevas modalidades de tratamientos que van más allá de los productos farmacéuticos y la estimulación cerebral profunda y que han sido aprobadas por la FDA para el tratamiento de los síntomas del párkinson. El dispositivo médico no invasivo Exablate Neuro (aprobado por la FDA en 2021) usa ultrasonido focalizado en un lado del cerebro para aliviar síntomas graves como temblores, rigidez y discinesia. El año 2023 trajo noticias importantes para la investigación del párkinson con la validación del biomarcador alfa-sinucleína. Los investigadores han desarrollado una herramienta denominada ensayo de amplificación de semillas de α-sinucleína que detecta el biomarcador en el líquido cefalorraquídeo de personas con un diagnóstico de párkinson y en personas que no han presentado síntomas clínicos.
• Esclerosis lateral amiotrófica (ELA): dos productos farmacéuticos han recibido la aprobación de la FDA en los dos últimos años para ralentizar el avance de la enfermedad en pacientes con ELA. Relyvrio® fue aprobado en 2022 y actúa previniendo o ralentizando la muerte de más neuronas en pacientes con ELA. Tofersen (Qalsody®), un oligonucleótido antisentido, fue aprobado en 2023 a través de un proceso de aprobación acelerada. Tofersen actúa sobre el ARN producido a partir de genes con mutación de superóxido dismutasa 1 (SOD1) para eliminar la producción de la proteína SOD1 tóxica. Se han publicado recientemente investigaciones genéticas sobre la contribución de las mutaciones a la ELA, y los científicos han descubierto cómo provocan ELA las mutaciones del gen NEK1. Este descubrimiento sugiere una posible estrategia terapéutica racional para estabilizar los microtúbulos en pacientes con ELA.