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De los capilares al tejido tumoral. Las barreras que enfrentan los fármacos

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Dr. Raúl G. López
Departamento de Procesos de Polimerización
Centro de Investigación en Química Aplicada

Nota inicial:
Un estudio reciente señala que después de un análisis meta-estadístico de un grupo de reportes de estudios experimentales se encontró que del total de nanoestructuras cargadas con fármacos que ingresan al organismo, solo el 0.7 % llega a los tumores [1]. Sin embargo, este valor es mayor que el 0.2 % reportado para el paclitaxel [2], uno de los antineoplásicos de mayor uso, administrado en quimioterapia convencional. Es conveniente señalar que estos valores corresponden a las fracciones que llegan a los tumores; las fracciones que llegan a las células malignas son todavía menores.

1. S. Wilhelm, A.J. Tavares, Q. Dai, S. Ohta, J. Audet, H.F. Dvorak, and W.C.W, Chan, “Analysis of nanoparticle delivery to tumours,” Nat. Rev. Mater. 2016, 1: 16014.

2. L. E. van Vlerken, Z. Duan, S.R. Little, M.V. Seiden, and M.M. Amiji, “Biodistribution and pharmacokinetic analysis of paclitaxel and ceramide administered in multifunctional polymer-blend nanoparticles in drug resistant breast cancer model,” Mol. Pharm. 2008, 5: 516-526.

Los siguientes apuntes se tomaron de:
H. Dewhirst and T. Secomb, “Transport of drugs from blood vessels to tumour tissue,” Nature Reviews/Cancer 2017, 17: 738-750.

Para que los fármacos antineoplásicos sean efectivos deben llegar a prácticamente el 100 % de las células malignas, lo cual es altamente dependiente de la estructura de los vasos capilares que alimentan los tumores y de las propiedades de transporte del agente antineoplásico en el tejido tumoral. En este escrito el término antineoplásico incluye tanto a los fármacos libres como a las nanoestructuras de cualquier tipo cargadas con fármacos.

Los antineoplásicos se transportan en el organismo ya sea por difusión o por convección. La difusión es ocasionada por un gradiente de concentración o más precisamente por un gradiente termodinámico, en tanto que la convección responde a un movimiento del fluido transportador, la sangre por ejemplo.

Dentro de los capilares la velocidad de la sangre es típicamente de 1 mm/s. En ellos, los antineoplásicos se transportan por convección en el sentido del flujo de la sangre; sin embargo, dado el diámetro característico de los capilares (10 μm) y su muy baja velocidad radial, el transporte de los antineoplásicos en la dirección radial es por difusión. Las nanoestructuras pasan de la sangre al tejido tumoral a través de los poros en las paredes de los capilares; estos poros tanto en este tipo de tejidos como en los inflamados presentan típicamente diámetros de hasta cientos de nanómetros, mucho mayores que las aberturas de 5 nm características de los capilares de los tejidos sanos. Esta particularidad junto con el deficiente drenaje linfático de los tejidos tumorales se conoce como efecto EPR (enhanced permeability and retention). En principio este efecto sería aprovechado para hacer llegar las nanoestructuras a las células tumorales; sin embargo, en la práctica el tamaño de estos poros es muy heterogéneo y en algunos tumores el efecto EPR no se manifiesta.

Cuando el fluido pasa de los capilares a los tejidos tumorales su velocidad disminuye hasta valores de nanómetros o micras por segundo. En el caso de las nanoestructuras esto implica que su transporte hacia las células cancerosas pasaría de convección a difusión, si la velocidad del fluido es del orden de unos pocos nanómetros por segundo. Esto enlentece las llegada de las nanoestructuras a las células, debido a que su difusividad es del orden de 1000 veces menor que las moléculas de los fármacos.

El espaciamiento típico entre dos capilares adyacentes que irriguen un tejido tumoral es de 100 μm. Esto es importante por la penetración máxima de los antineoplásicos en el tejido y su internación en las células una vez que han salido de los capilares. Como comparación se puede tomar el caso de la doxorrubicina, uno de los agentes antineoplásicos de mayor uso. Debido a su relativa alta difusividad y su rápida internación en las células, por ser una molécula relativamente pequeña e hidrófoba, su máxima penetración en el tejido llega a entre 80 y 100 μm, lo cual alcanza en unos pocos segundos. En cambio, debido a su baja difusividad y lenta internación por parte de las células malignas, las nanoestructuras requieren de decenas de minutos para alcanzar su máxima penetración, la cual típicamente es muy corta, menor que la de los fármacos en estado molecular. Las implicaciones de este comportamiento son muy importantes, ya que si el tiempo de residencia de las nanoestructuras en el plasma es corto su eficiencia se vería afectada. Para esto hay que considerar que la sangre tarda poco menos que un minuto para recorrer la totalidad del cuerpo.

Los capilares que alimentan a los tumores presentan anormalidades muy importantes, principalmente dos: grandes espacios entre las células del endotelio y una gran tortuosidad. La primera de éstas es la responsable de la hiperpermeabilidad de los capilares, facilitadora del escape de las nanoestructuras hacia los tejidos; la segunda, restringe el flujo de sangre, lo cual causa un deficiente suministro de los antineoplásicos en general y de las nanoestructuras en particular. La hiperpermebilidad de los capilares, componente del efecto EPR, permite el aumento del tránsito de los antineoplásicos en su trayecto al tejido tumoral; sin embargo, dado su mayor tamaño, la difusividad de las nanoestructuras es mucho menor que la exhibida por los fármacos en su estado molecular.

El estroma o matriz extracelular constituye el soporte de las células malignas del tumor. Este soporte es una barrera que limita la penetración de los antineoplásicos debido a que incrementan la distancia que éstos tienen que recorrer para llegar a las células malignas; además, los antineoplásicos pueden ser capturados por los componentes de la matriz extracelular, lo cual reduce la cantidad del fármaco que llegaría a las células malignas; asimismo, si la densidad de los componentes de la matriz es muy alta los capilares pueden ser comprimidos y llegar incluso a colapsar.

Por otra parte, las células malignas también pueden limitar el transporte de los antineoplásicos. Esto ocurre si la densidad de las células es muy alta ya que reduce los espacios por los cuales se mueven los antineoplásicos, aumenta la tortuosidad del trayecto y podría comprimir los capilares hasta colapsarlos e impedir el suministro del fármaco.

El deficiente drenaje linfático de los tumores, característico del efecto EPR, también afecta el transporte de los antineoplásicos. Una consecuencia de esta deficiencia es la acumulación de fluido intersticial en la matriz extracelular con el consiguiente aumento en la conocida como presión del fluido intersticial, la cual puede alcanzar valores cercanos a la presión sanguínea en los capilares. Esto hace que el gradiente de presión entre los capilares y la matriz extracelular sea prácticamente cero, por lo que el transporte de las nanoestructuras será únicamente por difusión; como resultado, su arribo a las células cancerosas será mucho más lento.

Se plantean 3 líneas de investigación principales para incrementar el arribo de las nanoestructuras a las células malignas

1. Agentes antiangiogénicos. Su propósito sería controlar el crecimiento desordenado de los capilares que alimentan a los tumores y hacerlos más parecidos a los capilares normales. El propósito de esta estrategia es disminuir el flujo de fluido hacia la matriz extracelular al disminuir el tamaño y número de poros en las paredes, para reducir así la presión del fluido intersticial y permitir un mayor movimiento de las nanoestructuras hacia las células malignas. Sin embargo, un crecimiento más ordenado y normal de los capilares hace que el efecto EPR se manifieste con menor intensidad, con otra consecuencia, esto es, que al ser los poros en las paredes de los capilares menores en número y en tamaño, obligaría al empleo de nanoestructuras de tamaño muy pequeño, tal como 10 nm, para que puedan pasar a la matriz extracelular, según estudios experimentales.

2. Reducción de la densidad de la matriz extracelular del tumor. Los componentes de esta matriz, tales como los fibroblastos, el colágeno y el ácido hialurónico, entre otros. restringen el paso de los antineoplásicos hacia las células cancerosas. Esta restricción es mayor a medida que aumenta la la concentración de estos componentes en la matriz, es decir, su densidad. Más aún, por su mayor tamaño, esta situación es más problemática para las nanoestructuras que para las moléculas de los fármacos. Con el fin de reducir esta densidad y facilitar el paso de los antineoplásicos, se investiga sobre el uso de compuestos que disminuyan la producción de los componentes de la matriz y/o que rompan las moléculas ya formadas. Así, se han realizado estudios en los cuales se emplea una enzima, la hialuronidasa, para romper la molécula del ácido hialurónico presente en grandes concentraciones en tumores pancreáticos. Los resultados mostraron un incremento apreciable en la proporción de liposomas cargados con doxorrubicina que llegan a las células cancerosas. Asimismo, se investiga sobre la inhibición de la señalización de Hedgehog, vía primordial en la formación de tejidos, mediante diversos fármacos. Los resultados han mostrado un incremento en el arribo de nanoestructuras a las células cancerosas como resultado de una disminución en la presión del fluido intersticial, causada a su vez por la disminución de la concentración de los componentes de la matriz extracelular.

3. Hipertermia. Se refiere al aumento en la temperatura inducido en parte o la totalidad del cuerpo para incrementar el arribo de las nanoestructuras a los tumores. El calentamiento del sitio donde se encuentra el tumor a temperaturas de 41 a 43 ºC se logra mediante la aplicación de radiofrecuencia, microondas o ultrasonido. Como resultado se han obtenido evidencias experimentales de incrementos importantes en el suministro de nanoestructuras a los tejidos tumorales. Este beneficio se asocia a un aumento en la microcirculación en los capilares y en el tamaño de los poros en las paredes de los capilares, así como una mayor fracción volumétrica en la matriz extracelular para el tránsito de las nanoestructuras. Se ha estudiado también el efecto de aumentar la temperatura de la totalidad del cuerpo hasta 39.5 ºC por 4 a 6 horas y administrar simultáneamente liposomas cargadas con doxorrubicina. Este tratamiento logró un incremento sustancial de la concentración de nanoestructuras en el tumor. Pero, los mejores resultados se han obtenido en estudios en los cuales se combinó la hipertermia local con la administración de liposomas termosensibles. Estas nanoestructuras tienen la particularidad de liberar el fármaco a una temperatura de 42 ºC al circular por los capilares del tumor; al ser liberado el fármaco es fácilmente extravasado hacia el tejido tumoral. Los incrementos en la cantidad de fármaco suministrado a los tumores mediante esta técnica han sido sorprendentes.


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