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“Human health has always been determined on the nanometer
scale; this is where the structure and properties of the
machines of life work in every one of the cells in every living
thing” Richard Smalley, PN 1996 (Fulereno-60)
Nanotecnología en el diagnóstico y tratamiento de enfermedades
cardiovasculares
Juan Tamargo Menéndez
Académico Correspondiente de la RAN Medicina
Académico de Número de la RAN de Farmacia
Facultad de Medicina, Universidad Complutense de Madrid
Enfermedades CVs en Europa
1. Primera causa de mortalidad en Europa (4.7 M muertes/año)
• Cardiopatía isquémica (1.92 M muertes/año) e ictus (1.24 M muertes/año) son la
primera causa de muerte prematura
• Coste elevado - €196 billones/año, 20% de los fármacos
http://www.ehnheart.org/cvd-statistics.html (2017)
Varones (40%) Mujeres (49%)
¡ Las ECV no son una prioridad de la EU !
Área cardiovascular (“morimos de éxito”)
• S XX: numerosos fármacos seguros y eficaces (ECCs):– Reducen síntomas y mejoran la QoL, reducen la morbilidad y mortalidad
– Muchos son genéricos muy baratos (28 comp. de simvastatina 0.90€)
• Supone más riesgo desarrollar un Fármaco CV:– Desarrollo complejo (miles pts), largo (años), costoso y con “muchos
fracasos (“selective targets”)
– Demostrar beneficios sobre lo existente o.......
– Discriminación: 120.000$/año en cáncer vs 45.000$/año en CV
Helmy K, et al. JAMA Cardiol. 2017 Nov 8. doi: 10.1001/jamacardio.2017.3756.
Aterotrombosis: Un proceso progresivo
NormalEstríagrasa
Placa fibrosaPlaca
ateros-clerótica
Rotura/Fisura de placa yTrombosis
IM
Ictus
Isquemia
ext. Inf.
Clínicamente silente
Muerte CVAumento de la edad
Angina
Ataque isquémico transitorio
Claudicación/EAP
Nanotecnologías en el diagnóstico y tratamiento de las ECVs
Diagnóstico por imagen
Sensores para detectar biomarcadores o infecciones
Administrar fármacos contra la placa/trombo
Facilitar la regeneraración cardiaca
Stents liberadores de fármacos (NPs)
La nanotecnología nos permite “ver” la ECV
Nguyen et al. Cell Stem Cell 2014;14:431-44
MRISPIONS
CTAuNPs
PET18F-FDG/FESP
18F-FHBG
FuorescenciaQDs, GFP, RFP
SPECT111In-oxine,
99mTc, 123I
BioluminiscenciaLuciferina-D, Coelenterazina
CT: tomografía computarizada. MRI:
imagen por resonancia magnética. PET:
tomografía por emisión de positrones .
SPECT: tomografía por emisión de fotón
único
UltrasonidosMicroburbujas
Dianas para el diagnóstico por imagen de la arteriosclerosis
Nahrendorf et al.
JACC Cardiovasc
Imaging 2009
Circulation 2008
Arterioscler Thromb
Vasc Biol. 2009
Circ Res 2011
Spuentrup et al. Rofo
2007
Briley-Saebo et al.
Circulation 2008
Wykrzykowska et al.
J Nucl Med 2009
Laitinen et al Circ
Cardiovasc Imaging.
2009
FDG: fluorodeoxiglucosa
MPO: mieloperoxidasa-ROS
LDL
LDLox
Dianas para el diagnóstico por imagen de la placa
Diana Fisiopatología Sonda de diagnóstico
Selectinas E y P
VCAM-1, ICAM-1
Disf. Endotelial
Inflamación
SPION/USPIO conjugadas con VCAM-1 y
Selectina E, AC-anti-VCAM-1 marcados con 99mTc, fluorescencia NIR
Fosfatidilserina Estrés oxidativo
Apoptosis
USPIO dirigidas, annexina 5 marcada con 99mTc,
colorantes NIR conjugados con annexina
v3 (vitronectina) Fagocitosis
Neoangiogénesis
RGD marcado con Gd, RGD-18F, NPs con Ac-
anticolágeno III o anti-v3, NIR
LDLox Lípidos - LDL-C NPs-AU (GNP) conjugado con Ac-anti-LDLox
LOX-1 USPIO, Ac marcados con 99mTc
Fibrina-fibronectina Trombosis CLTD marcado con Gd, Ac marcados con 99mTc
GP IIb/IIIa Adhesión plaquetaria Microburbujas dirigidas
F de von Willebrand Adhesión plaquetaria Microburbujas dirigidas
GPVI-R (Colágeno) Adhesión NPs de HDL con Gd-DTPA, micelas de Gd
conjugadas con CNA3, 64Cu-GPVI
SR-A1
Mac-1
TSPO
Metaloproteinasas
Macrófagos activados
Infiltración de macrófagos
[125]Yodo-DPA-173
NPs-Au (GNP)-PEG, SPIONs recubiertas de Au
y con Ac frente a CD68 o CD163, 18F-LyP-1
frente a p32, NIR
NIR: near ultra-red. SPION: NPs superparamagnéticas de óxidos de hierro. USPIO: partículas superparamagnéticas ultrapequeñas de óxido de hierro
Nanopartículas Multi-dianas
Detección y cuantificación de placa vulnerable con tomografía
computarizada mejorada con NPs de oro en “el modelo murino ApoE-/-”
ApoE–/– mouse ApoE–/–Fibrillin1C1039G+/–
mouse
Van der Herck et al. Basic Res Cardiol 2010;105:51-8
De Wilde et al. Mol Imaging 2015;14:9–19
Aorta de conejo
tras la inyección
de N1177, NPs
yodadas
fagocitadas por
macrófagos
Detección de lesiones arterioscleróticas y macrófagos activados Nanovesículas con 1-(palmitoil)-2-(5-ceto-6-octene-dioil) fosfatidilcolina (receptores CD36)
Nanovesículas se colocalizan en los macrófagos de la íntima
(F4/80) y en los receptores CD36
Nie et al. J Control Release. 2015;220:61–70 DiR: 1,1′-dioctadecil-3,3,3′,3′-tetrametil indotricarbocyanine iodide (NIR)
Plasmonics for Treatment of Atherosclerosis: Results of NANOM-FIM Trial (n=120)
Kharlamov et al. J Nanomed Nanotechol 2013;4:1
NPs de sílice-oro para la terapia fototermal
• Terapia fototermal (Plasmonic photothermal therapy) utilizando irradiación laser
cercana al espectro infrarojo (NIR) “generating an intracellular photothermal vapor
bubble which causes essentially a kind of the burning (‘cooking’) or vaporization of cells”
• Reduce el acúmulo de lípidos, de inflamación y la necrosis en la placa
Tratamiento de la arteriosclerosis
• Ex vivo o ratones ApoE-/- muy alejados del paciente, aunque.... prometedor futuro
• Los inhibidores de PCSK9 reducen el LDL-C a <50 ml/dl (60% más que estatinas)
• Liposomas cubiertos de fosfatidilserina: activación de macrófagos
• NPs de PFC cargadas con fumagilina y dirigidas frente a integrina
αvβ3: reducen la neovascularización
• NPs con rapamicina y dirigidas contra αvβ3: restenosis post-stent
• NPs con dodecafluoropentano: el aporte de O2
• Liposomas cargados con glucocorticoides pegilados
• Simvastatina dirigida al receptor de HDL
• Pitavastatina incorporada en NPs de PLGA
• QD de PLGA cargados con miméticos de HDL (Apo A-1)
• Miméticos de HDL marcados con 89Zr
• NPs de sílice que inmovilizan adenosina (vasodilatador coronario) y
previenen su degradación y el riesgo de hipotensión
• NPs de PIGF+irbesartán: área de IM e inflamación
NPs de HDL que liberan estatinas inhiben la inflamación en la
placa en ratones ApoE-/-
• Genes que reclutan monocitos (MCP-1, CCL-3 CCL-15, CXCL-12 ICAM-1, VCAM-1)
• Genes pro-inflammatorios (TNF-α, IL-1β, IL-1α, SPP-1) Duivenvoorden et al. Nat Commun. 2014; 5:3065
VHPKQHR
CD68 capta LDL-C
Formulación nanoliposomal de glucocorticoides (L-PLP) en
conejos hipercolesterolémicos
Lobatto et al. Mol Pharm 2010;7:2020-9
El efecto de NPs de fosfato sódico de prednisolona (capa fosfolípidos y
colesterol cubierta con PEG) NO SE PUDO REPETIR en humanos (no es una
sorpresa)
Van der Valk. Namomed Nanotechnol Biol Med 2015;11:1039-46)****
Aorta abdominal: mayor densidad18F-FDG-PET and DCE-MR
Imagen del trombo utilizando NPs específicas
PPACK [Phe(D)-Pro-Arg-
clorometilcetona] inhibidor de
trombina. Myerson et al. J Thromb
Haemost. 2011;9:1292–300
NPs de Gd-DTPA-
BOA con
perfluorocarbono
conjugadas con
AcM-anti-fibrina.Flacke et al. Circulation.
2001;104:1280–85
SPIONs con un Ac-anti-
selectina P. Suzuki et al.
Nanomedicine (Lond) 2015;10:73–87
Identificación y tratamiento de la trombosis in vivo
IDENTIFICACIÓN
• NPs con fucoidán (SPION) con Ac-antiselectina P (Bachelet et al., BBA 2009: Suzuki et al.Nanomedicine 2015)
• AcM-anti-fibrina conjugada con NPs de perfluorocarbono con Gd (Flacke et al.Circulation 2001)
• Au-NPs de quitosano-PEG + péptidos frente a fibrina y F XIII (Kim et al., Ann Neurol 2013)
• NPs lipopéptidos con CREKA (proteínas de la coagulación) (Peters et al., PNAS 2009)
• NPs unidas a Ac-antiGPIIb/IIIa (Ta et al. Circ Res 2011, Jacovin-Ballat et al. Nanomedicine 2015)
• MPIOs (Starmans et al., PloS ONE 2013; Senpan et al. ACS Nano 3009)
– Funcionalizadas con GRP o FXIIIa (McCarthy et al. Bioconjug Chem 2009 y Nanomedicine 2012)
– Funcionalizadas con v3integrina (Winter et al. Circulation 2003;108:2270-8)
TRATAMIENTO
• rtPA inmovilizado en ácido poliacrílico cubierto de magnetita (Ma et al. Biomaterials 2009)
• Nano plásmidos de quitosano que contienen rt-PA (Ji et al., J Surg res 2011)
CRECA: Cys-Arg-Glu-Lys-Ala marcado con fluoresceína
Imagen directa del trombo en la arteria carótida de rata
64Cu-FBP8 con alta especificidad por la fibrina conjugado con 1,4,7-triaza ciclohexano-1-ácido
glutárico-4,7-ácido acético (Blasi et al. J Nucl Med 2014;55:1157-63)
Kim et al. Ann Neurol 2013;73:617-25
Au-NPs de quitosano-PEG + péptidos frente a fibrina y F XIII
NPs de PLGA con t-PA y activadas
por “cizallamiento vascular”
Modelo de trombosis arterial en arterias
mesentéricas de ratón inducido por FeCl3Korin et al. Science 2012
NPs de gelatina/colágeno que liberan
t-PA en respuesta a ultrasonido
Kawata et al. J Am Coll Cardiol 2012;60:2550-7
Se unen al factor de vW en la superficie plaquetaria
(modelo de IM en ratón y cerdo)
Ictus: NPs que facilitan el paso a través de la BHE
1. NPs de quitosano conjugadas con un Ac contra el R-1 de la
transferrina endotelial inducen la transcitosis
• bFGF o z-DEVD-FMK (inh. de la caspasa 3) pasan la BHE y reducen el
área de infarto (Yemisci et al. J Cereb Blood Flow Metab. 2014)
2. Escualeno-adenosina atraviesa la BHE, prolonga los efectos y reduce
área de infarto y síntomas neurológicos (Gaudin et al., Nat Nanotechnol 2014 )
3. NPs de fullereno C60 reducen el área de infarto en ratas con oclusión
de la arteria cerebral media (Vani et al. EXCLI J 2016; 15: 378–390)
5. Atorvastatina y rosuvastatina ejercen efectos neuroprotectores, pero
atraviesan mal la BHE - formulación en nanopartículas(Thompson, Ronaldson. Adv Pharmacol 2014)
LDL-C, Transferrina,
lactoferrina, albúmina
TRANSCITOSIS
NPs de fullereno C60 reducen el área de infarto en ratas con
oclusión de la arteria cerebral media
Vani et al. EXCLI J 2016; 15: 378–390
GSH: glutation
SOD: Superoxido Dismutasa
NPs de escualeno-adenosina producen neuroprotección
tras inducir un ictus o lesiones de la ME
Gaudin et al. Nat Nanotechnol 2014;9:1054–1062
Dianas para obtener la imagen del infarto de miocardio
Sosnovik et al. Magn Reson Med. 2005; Nahrendorf et al Circulation. 2008; Verjans et al. J Nucl Cardiol 2010;Makowski et al. Eur Heart J. 2008; Panizzi et al. JACC 2010; Nahrendorf et al. Eur Heart J 2008; Helm et al.Radiology 2008; Leuschner, Nahrendorf Circ Res. 2011;108:593-606
Annexina V
Factor XIII
Cicatrización
RemodeladoInflamación
Remodelado
Andamiaje cardiaco (scaffolding)
A. Andamiaje de colágeno
B. Biocompatible
C. Celularización (-actinin)
en los CM-hiPS a los 3 días
D. Nuevos vasos
Sólo 7-14 días de seguimientoJoanne et al. Biomaterials
2016;80:157-68
YUKON ChoiceDES DES System
Supralimus DES System
JACTAX DES System
BioFreedom DES System
Amazon PaxDES System
VESTAsync DES System
Sirolimus EPC capture Optima DES system
Bio-functionalized
polymers, controlled
drug release, and EPC
capture
Bioresorbable electronic stent
Andamiajes basados en ingeniería de tejidos cardíacos
1. Polímeros naturales:• Colágeno I y III, fibinógeno, gelatina,
elastina, quitosano,
2. Sintéticos:• Poli--caprolactona, ácido
poliláctico, ácido poli(láctico-co-glicólico), poliglicolida, poliuretano,poliglicerol sebacato,polidioxanona, poli-(R)-3-hidroxibutirato, poli-pentadecalactona
• Hidrogeles: poli-(N-isopropilacrilamida, PLGA-PEG-PLGA, poli(serinol hexametileneurea)-co-PNIPAAm
• Propiedades mecánicas: anisotropía,elasticidad, orientación, contracción(86.400/día)
• Estructura 3D: tejido fibroso(válvulas), vasos, miocitos
• Superficie apropiada para promover lacoordinación de las células cardíacas
• Propagación coordinada del impulsocardiaco (arritmias)
1 m/s
0.02 m/s
1-4 m/s
Ca2+
Ca2+
Na+
Na+
25 ....140 mmHg
Algunos problemas
• NPs de sílice y oro o cubiertas de poliestireno, nanotúbulos decarbono y puntos cuánticos
– Estimulan la agregación plaquetaria y aumentan la trombosis
– Generan ROS/NOS (peroxinitrito) y la expresión de VCAM-1, ICAM-1
– NPs <100 nm, NPs orgánicas y nanoesferas de carbono agregan menos
• NPs >100 nm se eliminan rápidamente por fagocitosis
• Muchos datos in vitro y en modelos murinos alejados de la clínica
• Necesitamos datos in vivo a largo plazo y en modelos no roedoresacerca de:
– Las interacciones entre NPs, nanomateriales y células
– Estabilidad, viabilidad
– Anclaje e histocompatibilidad
• Los nanomateriales pueden contribuir a genotoxicidad (daño del ADN)
• Necesitamos “ensayos clínicos”
Retos cardiovasculares
• Técnicas diagnósticas in vivo por imagen para el diagnóstico precoz
• Nuevos agentes de contraste para MRI, PET, SPECT, TAC
• Micro/nanosistemas como biomarcadores
• Nanobioensores inteligentes - estímulos biológicos y/o activables externamente
• Digital medicine (muñequeras para identificar FA, ictus, ECG)
• Seguimiento de células madre en el tejido dañado
• Tratamiento:
• Eliminación de trombos y placas de ateroma
• Nanofármacos: nanosistemas poliméricos multifuncionales
• Nanosistemas de transporte/liberación de fármacos, proteínas y biológicos
• Stents nanoestructurados: liberación secuencial-programada y reabsorbibles
• Regeneración cardiaca: andamiajes, hidrogeles inyectables, capas celulares
• Grafeno: propiedades angiogénicas, de diferenciación y conductoras
• Ensayos clínicos controlados
• Desarrollo de dispositivos lab/cell on-a-chip"Compared with other biomedical applications of nanotechnology, such as cancer
nanotechnology, cardiac nanotechnology has lagged in achieving ‘traction’ due to
stringent regulations, and its slower progress also mirrors less investment both from
governments/foundations and financial and strategic investors