Uso de espermatozoides para la administración de fármacos en el tracto reproductor femenino

Introducción

El desarrollo de sistemas de administración de fármacos capaces de suministrar localmente y de forma controlada dosis efectivas constituye uno de los retos principales en la lucha contra el cáncer. La nanomedicina ha dado paso a una nueva era en la administración de sustancias, de manera que se están desarrollando numerosos sistemas de nanopartículas cargadas con fármacos que puedan mejorar la eficacia de la administración de los mismos. Las opciones de diseño de nanopartículas son prácticamente ilimitadas. Así, están siendo investigadas en la clínica para el tratamiento del cáncer nanopartículas basadas en lípidos, en polímeros, inorgánicas o virales (figura 1) (1).

  

Figura 1. Descripción general de las nanomedicinas actualmente en investigación clínica para el tratamiento del cáncer. Las nanopartículas basadas en lípidos, basadas en polímeros, inorgánicas, virales y conjugadas con fármacos son ejemplos de plataformas establecidas en la investigación clínica. Imagen modificada de (2).

Algunas de ellas, como los liposomas, han demostrado ser capaces de actuar específicamente en tumores, además de mejorar el control en la liberación del fármaco. No obstante, aún existe una serie de desafíos por resolver, tales como la captación inespecífica por parte de otros órganos, una penetración a los tejidos limitada y la dilución del sistema de administración en los fluidos corporales, lo cual provoca una disminución de la concentración efectiva del fármaco (3).

Para solventar estas barreras, se están proponiendo nuevos sistemas de transporte y administración de fármacos basados en células. Estos sistemas tratan de aprovechar la fluidez de la membrana y elevada biocompatibilidad que poseen las células, además de características específicas de ciertos tipos celulares. Por ejemplo, se han utilizado sistemas basados en células madre para terapia regenerativa, macrófagos en terapia contra el cáncer o eritrocitos para conseguir una liberación sostenida del fármaco en el torrente sanguíneo (4–6).

Las células capaces de autopropulsarse son particularmente interesantes en este aspecto, debido a su biocompatibilidad, su capacidad de interaccionar con otras células y tejidos y su capacidad de desplazamiento en microambientes fisiológicos. En concreto, el espermatozoide se presenta como un candidato ideal para la encapsulación y administración de fármacos en el tracto reproductor femenino, y así lo demuestra un estudio reciente del Instituto Leibniz de Investigación de Materiales y del Estado Sólido de Dresde, Alemania (3).

Sistema de micromotor híbrido espermático

 

El espermatozoide posee la capacidad natural de desplazarse a lo largo del tracto reproductor femenino. Esto, unido a su alta capacidad de encapsular proteínas y otras sustancias hidrofílicas, protegiéndolas de la dilución en los fluidos corporales, de reacciones inmunes y de la degradación enzimática, lo convierten en un candidato prometedor para el tratamiento del cáncer cervical y otras patologías ginecológicas. Además, el espermatozoide posee una serie de proteínas de membrana (como CD9 y distintas integrinas) que le permiten fusionarse con otras células, característica que podría suponer una ventaja a la hora de mejorar la transferencia del fármaco a la célula diana (3,7).

Basándose en estas propiedades, el grupo dirigido por el Dr. Haifeng Xu ha desarrollado un sistema micromotor híbrido para la administración de fármacos en el tratamiento de cánceres ginecológicos. El sistema utiliza al espermatozoide como sistema de propulsión y de encapsulación del fármaco, y lleva acoplado un microtubo generado por impresión 3D (denominado “tetrápodo”), que permite guiar magnéticamente al espermatozoide y desencadenar la liberación de la sustancia. 

La microestructura del tetrápodo consta de un cuerpo tubular optimizado para el tamaño de un espermatozoide y cuatro brazos flexibles, diseñados de forma que cuando se topen una barrera sustancial (como un conjunto de células) se doblen, permitiendo al espermatozoide escapar y fusionarse con la célula diana, liberando su contenido (figura 2). Cuando un espermatozoide alcanza el tetrápodo, su cabeza queda atrapada mecánicamente en el interior de la cavidad, permitiendo el movimiento del flagelo, de manera que va a propulsar la microestructura hacia adelante. Esta microestructura está además recubierta de forma asimétrica por una capa de 10 nm de hierro con un ángulo de inclinación de 15° creando un eje fácil de imanación, que va a permitir guiarla por medio de un campo magnético externo. Además, posee una capa adicional de titanio de 2 nm de espesor para mejorar su biocompatibilidad (3).

Figura 2. (a) Vista superior de la microestructura del tetrápodo, con la cabeza del espermatozoide en su interior. (b) Esquema representativo de la administración de fármacos dirigida a tumores por medio del micromotor híbrido impulsado por esperma: el fármaco es encapsulado en el interior del espermatozoide, el cual se va a acoplar a la microestructura del tetrápodo, será guiado por medio de un campo magnético externo, y al chocar con las células tumorales será liberado de la estructura, permitiéndose así la liberación del fármaco en cuestión. Modificado de (3).

Para los ensayos realizados utilizaron espermatozoides de toro como modelo, ya que presentan una morfología similar a los del ser humano.

El experimento

Con el fin de evaluar la eficacia del sistema, se coincubaron los espermatozoides con clorhidrato de doxorrubicina (DOX-HCl), un fármaco quimioterápico de amplio uso y cuya forma liposomal (Doxil) se utiliza para el tratamiento de cánceres ginecológicos (8).

Tras purificar los espermatozoides, se confirmó la incorporación del fármaco por medio de microscopía de fluorescencia, ya que este  compuesto presenta autofluorescencia cuando se excita a una longitud de onda de 470 nm. El 98 % de los espermatozoides de la muestra incorporó el fármaco, encontrándose predominantemente en la cabeza de la célula. Por otro lado, se analizó la estabilidad de la encapsulación, comprobándose que tras 96 h solo el 18 % del fármaco encapsulado había sido liberado al medio de cultivo, lo cual indica que el espermatozoide es capaz de almacenar DOX-HCl de una manera estable (3).

Se testó la eficacia antitumoral de la administración de DOX-HCl por medio de este sistema en esferoides de células HeLa como modelo tumoral in vitro. Tras 72 h de coincubación de espermatozoides cargados con el fármaco (8x10⁴ espermatozoides en 100 µL de medio SP-TALP) con los esferoides, se observó que el tamaño de todos ellos había disminuido como consecuencia de la muerte celular inducida por la doxorrubicina. Además, un test de viabilidad celular confirmó que tras 48 h de coincubación el efecto de muerte celular inducido por el compuesto era mayor utilizando el sistema híbrido que cuando los esferoides eran incubados únicamente con el fármaco (figura 3) (3).

Figura 3. Muerte celular inducida por espermatozoides cargados con DOX-HCl en esferoides de células HeLa. (a) Superposición (eje Z) de imágenes de esferoides de células HeLa tratadas con espermatozoides cargados con DOX-HCl. El color rojo indica la fluorescencia de DOX-HCl al ser excitado con luz de 470 nm de longitud de onda, mientras que las flechas azules señalan los esferoides fragmentados. (b) Representación del porcentaje relativo de células vivas con respecto a las células totales de esferoides de células HeLa para distintos tiempos de coincubación con los espermatozoides (n = 4, 10⁴ células analizadas por muestra, *p < 0.01 en análisis ANOVA). (c) Imágenes de tinción de viabilidad celular LIVE/DEAD (ThermoFisher) de células HeLa de esferoides digeridos tras 72 h de coincubación con los espermatozoides. (3).

La capacidad de penetración de los híbridos en el interior de los esferoides se comprobó previamente utilizando FITC-BSA como modelo, observándose que tras 24 h de coincubación se observaban espermatozoides en el interior de los esferoides. Por otra parte, se llevó a cabo un ensayo in vitro de características similares para evaluar la administración de DOX-HCl por medio de este sistema en un entorno más complejo, utilizando un chip de canales microfluídicos y guiando los espermatozoides hacia las células diana por medio de campos magnéticos externos (figura 4). Se comprobó que los espermatozoides eran capaces de fusionarse con las células diana y liberar el fármaco, induciendo muerte celular (3).

Figura 4. Representación esquemática del chip microfluídico para la evaluación del transporte y administración de DOX-HCl por medio del sistema micromotor híbrido. El chip se diseñó de forma que la región de administración de fármaco (donde los espermatozoides cargados se acoplan al tetrápodo) estuviera separada de la región diana (que contiene los esferoides de células HeLa. Modificado de (3).

 

Perspectivas futuras

El espermatozoide posee una gran capacidad de encapsulación de sustancias, y es una célula especialmente interesante para la administración de fármacos debido a su capacidad de autopropulsión, de penetración y de fusión celular. El metabolismo incompleto que presentan los espermatozoides hace que el transporte de fármacos no tenga gran impacto en su motilidad, al tiempo que se evita la degradación de la sustancia. Además, son capaces de inhibir la respuesta inmune mediante la expresión de proteínas específicas de membrana, lo que hace que puedan mantenerse funcionales en el cuerpo humano durante tiempos relativamente prolongados. Su habilidad natural de desplazarse a lo largo del tracto reproductor femenino hace que se presente como un candidato idóneo para la administración de fármacos en el tratamiento de cánceres ginecológicos (cáncer de ovario, cervical, de ovario, uterino…, etc) (3).

El estudio realizado por Xu y colaboradores confirma la capacidad del sistema micromotor híbrido descrito anteriormente para liberar de forma eficiente y dirigida un fármaco antitumoral (doxorrubicina) en esferoides de células tumorales. Este sistema muestra una aplicación potencial no solo para el tratamiento de cánceres ginecológicos, sino que también podría utilizarse para tratar otras enfermedades del aparato reproductor femenino tales como endometriosis o enfermedades inflamatorias pélvicas. 

Las aplicaciones biomédicas potenciales son prácticamente ilimitadas; sistemas de este tipo podrían ser utilizados para la administración de agentes de contraste, ARNm o cualquier sustancia de interés. Si bien es cierto que aún quedan obstáculos por superar antes de que el sistema pueda ser utilizado en clínica, y son necesarios más estudios y un perfeccionamiento de la técnica, este avance podría suponer una revolución en el tratamiento del cáncer, permitiendo mejorar la efectividad y precisión del mismo.

Bibliografía

1.           Tran S, DeGiovanni P-J, Piel B, Rai P. Cancer nanomedicine: a review of recent success in drug delivery. Clin Transl Med. 2017;6(1):44.

2.           Wicki A, Witzigmann D, Balasubramanian V, Huwyler J. Nanomedicine in cancer therapy: challenges, opportunities, and clinical applications. J Control Release. 2015;200:138-57.

3.           Xu H, Medina-Sánchez M, Magdanz V, Schwarz L, Hebenstreit F, Schmidt OG. Sperm-hybrid micromotor for targeted drug delivery. ACS Nano. 2017; Epub pendiente de impresión..

4.           Hamidi M, Zarrin A, Foroozesh M, Mohammadi-Samani S. Applications of carrier erythrocytes in delivery of biopharmaceuticals. J Control Release. 2007;118(2):145-60.

5.           Xuan M, Shao J, Dai L, Li J, He Q. Macrophage cell membrane camouflaged Au nanoshells for in vivo prolonged circulation life and enhanced cancer photothermal therapy. ACS Appl Mater Interfaces. 2016;8(15):9610-8.

6.           Stuckey DW, Shah K. Stem cell-based therapies for cancer treatment: separating hope from hype. Nat Rev Cancer. 2014;14(10):683-91.

7.           Mattioli M, Gloria A, Mauro A, Gioia L, Barboni B. Fusion as the result of sperm-somatic cell interaction. Reproduction. 2009;138(4):679-87.

8.           Tacar O, Sriamornsak P, Dass CR. Doxorubicin: an update on anticancer molecular action, toxicity and novel drug delivery systems. J Pharm Pharmacol. 2013;65(2):157-70.

Ana García Rúa

Andrea Núñez González