Radioactive nanomaterials

Gerard Tobias and his group at the Solid State Chemistry unit are focusing on radioactive nanomaterials for the diagnosis and treatment of cancer. These nanomaterials, based on carbon nanocapsues filled with potentially radioactive atoms, can allow an early diagnosis of tumors and their treatment in a localized manner, thus minimizing damage to healthy tissue. The atoms are not radioactive during handling, but are irradiated with neutrons and become radioactive before entering the body. The carbon nanotubes that enclose the radioactive atoms are impermeable to the atoms, and avoid the leakage to the body. 

Nanocápsulas de samario para radioterapia

El campo de lo ínfimo es propicio para probar nuevas estrategias para hacer frente a las células cancerosas. En nanomedicina, uno de los tratamientos más prometedores incluye el uso de nanopartículas radiactivas administradas por vía intravenosa para atacar a los tumores. En este terreno, investigadores del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB) participan en un equipo internacional que ha desarrollado nanocápsulas de carbono que se activan con radiación para reducir la proliferación y crecimiento de los tumores cancerígenos.

El hallazgo, probado en ratones, podría ser empleado tanto en la obtención de imágenes biomédicas como en la radioterapia contra el cáncer. Se trata de nanocápsulas con átomos de samario estable que son irradiadas con neutrones para lograr unos elevados niveles de radiactividad que destruyan las células tumorales y reduzcan así el crecimiento y proliferación de los tumores. Las nanocápsulas se han probado en experimentos con ratones, observando una reducción de algunos de los tumores, así como la prevención de su proliferación y reducción del ritmo de crecimiento.

“Todavía hay que hacer más estudios para calcular las dosis óptimas y los efectos secundarios, pero los resultados existentes son muy prometedores”, asegura Gerard Tobías Rossell, investigador del ICMAB.

La alta radiación lograda permite que las nanocápsulas puedan utilizarse para radioterapia contra el cáncer, y no sólo para estudios de imagen biomédica, como hasta ahora. La imagen biomédica requiere una radiactividad más baja (se usa para detectar las nanocápsulas dentro del organismo), pero la radioterapia, en cambio, requiere una radiación más alta para destruir las células que forman los tumores de manera localizada. La gran radioactividad conseguida en este estudio permite, además, que la dosis administrada pueda ser mucho más baja que con otros tratamientos.

Las nanocápsulas están formadas por nanotubos de carbono, láminas de grafeno enrolladas y selladas por las puntas. “Estas nanocápsulas son impermeables, ya que la pared de grafeno no permi te que los átomos radiactivos que hay en el interior se esparzan por el resto del cuerpo”, afirma Tobías. Los átomos del interior son de samario (cloruro de samario), ya utilizado en hospitales como paliativo para metástasis óseas. Cuando se preparan las nanocápsulas, los átomos no son radiactivos. Sólo después de ser irradiados con neutrones, los isótopos 152, estables, se convierten en isótopos 153, radiactivos y por lo tanto útiles para el tratamiento contra el cáncer.

Trabajar con partículas no radiactivas tiene ventajas: por un lado, permite realizar el llenado de los tubos y procesado en cualquier laboratorio, sin necesidad de instalaciones radiactivas. También reduce la generación de residuos y la exposición de los investigadores a la radiación. Además, permite aliviar la limitación de tiempo que impone el uso de elementos radiactivos, ya que estos requieren una manipulación generalmente mucho más rápida. Las nanocápsulas se pueden almacenar sin ningún tipo de requerimiento especial hasta el día de su utilización.

El estudio ha sido realizado por un equipo internacional formado por investigadores del ICMAB y el Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2), centro mixto del CSIC, la Universidad de Barcelona y la Generalitat de Cataluña, centros de investigación de Reino Unido, Francia, Grecia, República Checa e Italia, y la empresa Cis Bio International, dentro del proyecto europeo Raddel (RADioactivity DELivery).

Figure: Gerard Tobias and some members of his team, in the lab where they study the use of nanomaterials for cancer radiotherapy. | ICMAB

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.

“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. 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. 

Por Alda Ólafsson / Gema de la Asunción (CSIC Comunicación)

Figure: Cover of the "CSIC Investiga" magazine about cancer. 

Proliferation and modification of T cells on 3D printed hydrogels

On the other hand, Judith Guasch and her group at the Nanomol unit are focusing on the development of hydrogels for the culture of T cells used for cancer immunotherapy through the adoptive cellular therapy. This therapy is based on reinforcing and multiplying T cells of the own body. The idea is to create 3D hydrogel structures that imitate the lymph nodes where T cell proliferate, to grow and modify them and introduce them back to the body. 

Hidrogeles 3D para cultivar linfocitos T

Otro de los frentes más activos en la lucha contra el cáncer es el de los tratamientos. La inmunoterapia es uno de los más prometedores: se basa en utilizar y reforzar el sistema inmunitario del paciente para que reconozca y combata las células tumorales, sin dañar los tejidos sanos. Uno de los tratamientos posibles, la llamada terapia celular adoptiva, consiste en extraer los linfocitos T del paciente, células que tienen la capacidad de destruir las tumorales, modificarlas para que sean más activas, hacer numerosas copias y volverlas a inyectar.

En este campo, un grupo de investigación del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB-CSIC) ha participado en el diseño de nuevos hidrogeles que permiten cultivar los linfocitos T. Los hidrogeles pueden imitar los ganglios linfáticos, donde las células T se reproducen y, por ello, proporcionan altas tasas de proliferación celular. Las investigadoras Judith Guasch, del ICMAB, y Elisabeth Engel, de la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC) en el Instituto de Bioingeniería de Cataluña (IBEC), desarrollan un proyecto para imprimir en 3D estos nuevos hidrogeles y acelerar así su transferencia al mercado.

Los hidrogeles 3D están hechos de polietilenglicol, un polímero biocompatible usado ampliamente en biomedicina, y heparina, un agente anticoagulante. El polímero proporciona la estructura y las propiedades mecánicas necesarias para que crezcan las células T, mientras que el anticoagulante se usa para anclar distintas biomoléculas de interés como la citoquina CCL21, una proteína presente en los ganglios linfáticos y que tiene un papel principal en la migración y proliferación tumorales.

Por Isidoro García Cano (CSIC Comunicación)

Figure: Judith Guasch develops hydrogels for T cells culture used in cancer immunotherapy | ICMAB

More information:

• Find in DIGITAL CSIC the issue number 2 of the magazine "CSIC Investiga".
• Magnetic nanoparticles to face cancer: David against Goliath (31 May 2021)
• Development of a radiolabeled nanomaterial to improve current theranostics for cancer (12 Mar 2021)
• Judith Guasch talks about biomimetics and cancer immunotheraphy in CosmoCaixa Live Talks (25 Nov 2020)
• Judith Guasch interviewed in Agencia SINC for the 3D hydrogels used in cancer immunotherapy (9 Nov 2020)
• Discover how ICMAB is helping face cancer on #WorldCancerResearchDay (24 Sept 2020)
• New 3D printed hydrogels for T-cell growth to be used in cancer immunotherapy (31 Aug 2020)
• New ruthenium-based metallocarboranes for bimodal cancer therapy (7 Mar 2020)
• Carbon nanocapsules for radiotherapy against cancer (18 Dec 2019)
• It's #WorldCancerDay and the ICMAB would like to share with you some of our projects on cancer research (4 Feb 2019)