Las 10 principales innovaciones biotecnológicas que debe conocer

Jennifer Huen, bioquímico autónomo en Kolabtree, describe las 10 principales innovaciones biotecnológicas del mercado actual. Lea sobre los principales productos y servicios de ciencias de la vida y las empresas que están detrás de ellos.  

Las innovaciones biotecnológicas no han dejado de crecer en los últimos 10 años, no sólo en el ámbito médico sino también en los sectores de la agricultura, el medio ambiente y la energía. Casi todas estas biotecnología innovations involve genetic engineering, diagnostics, or assays, reflecting on the importance of synthetic biology on current biotechnological developments. Here are the top 10 biotech innovations that are transforming the industry. 

 1. Single Cell Technologies

Las tecnologías de células individuales proporcionan vistas detalladas de los entornos celulares y son herramientas importantes utilizadas en el descubrimiento de fármacos y la investigación clínica. Junto con secuenciación de próxima generaciónLas tecnologías de células individuales revelan una imagen más real de una población celular, lo que es especialmente importante para comprender la heterogeneidad del entorno tumoral. Dado que estas tecnologías se utilizan principalmente en el ámbito de la investigación, varias empresas de investigación por contrato ofrecen plataformas de secuenciación y análisis de células individuales con paneles de ADN específicos. Por ejemplo, Biografía de la misión ofrece su plataforma Tapestri para que los investigadores puedan perfilar genéticamente cada célula de una población determinada mediante un flujo de trabajo de microfluidos en dos pasos combinado con la secuenciación de células individuales [1]. El perfilado de enfermedades específicas puede lograrse utilizando paneles de ADN específicos, como el panel de leucemia linfoblástica aguda [1]. Los análisis de células individuales suelen requerir múltiples máquinas con protocolos separados, pero Berkeley Lights ha dado un paso más al desarrollar una única máquina que puede procesar y analizar células una a una, simultáneamente. El Beacon es capaz de realizar múltiples manipulaciones de células individuales en un chip optofluídico que contiene decenas de miles de diminutas cámaras celulares [2]. Mediante el uso de la dielectroforesis inducida por la luz, se dividen células específicas para su posterior análisis, como el cribado del repertorio de anticuerpos, tal y como demostró la empresa de descubrimiento de fármacos, Aldevron [2, 3]. El Rayo también se lanzó recientemente para atender a la investigación específica de las células T [4].

2. Biosensores de aptámeros 

Los monitores de glucosa, las pruebas de embarazo y los sensores de metales pesados son sólo algunos de los detectores basados en biosensores que se han desarrollado y utilizado desde la década de 1960 [5]. Los biosensores consisten en enzimas, anticuerpos o microbios que permiten una lectura del compuesto que se detecta. Las nuevas tecnologías de sensores se han centrado en los métodos basados en aptámeros de ácidos nucleicos, ya que tienen el potencial de ser más sensibles, estables y rentables que los métodos anteriores. Biosensores de aptámeros are typically developed by systematic evolution of ligands using exponential enrichment (SELEX,[6]), which generate stable DNA or RNA molecules that are highly selective to its target. For environmental testing or medical diagnostics where sample complexity is high, aptamers might just be the right type of molecule and a number of companies have focused on developing aptamers for these purposes. For example, South Korea-based Aptamer Sciences has developed an in vitro diagnostic test called the AptoDetect-Lung that assesses the risk of a patient developing lung cancer by detecting seven lung cancer biomarcadores [7]. The test was shown to improve diagnostic accuracy compared to CT scan examination [8]. AptoDetect-Lung was recently granted diagnostic approval by the Korean Ministry of Food and Drug Safety [7].

3. Current Cell Therapies 

La gestión de las enfermedades crónicas requiere a veces repetidos tratamientos farmacológicos, pero imagínese que hubiera una manera de que los medicamentos se suministraran donde fuera necesario, cuando que se necesita, de forma automática. En este sentido, los científicos están desarrollando terapias celulares de administración de fármacos [9]. En los pacientes diabéticos de tipo 1, el deterioro de las células β del páncreas provoca una deficiencia de insulina y una acumulación de glucosa en la sangre, lo que provoca síntomas como micción frecuente, sed excesiva y dolor de cabeza [10]. Una posible solución está siendo desarrollada por Seraxis: un dispositivo implantable compuesto por células pancreáticas cultivadas en laboratorio que responden directamente a los niveles de glucosa en sangre del paciente [11]. El dispositivo contiene células de los islotes fabricadas a partir de células madre pluripotentes inducidas (iPSC) y pretende eliminar los tratamientos farmacológicos para estos pacientes. Otra empresa que está desarrollando actualmente tratamientos puntuales implantables es la de Auckland Tecnologías de células vivas. Su terapia NTCell consiste en una cápsula recubierta de alginato que contiene células neonatales del plexo coroideo y que se implanta en el cerebro de los pacientes con Parkinson [12]. Las células del plexo coroideo suministran líquido cefalorraquídeo, mitógenos y otros factores que favorecen el crecimiento y la función neuronal [12]. En 2013, Living Cell Technologies patrocinó el primer ensayo clínico del mundo de terapia celular regenerativa para la enfermedad de Parkinson y actualmente está evaluando NTCell para realizar más estudios.

4. Stem Cell Applications

Desde principios de la década de 1980, los científicos estudian las condiciones y controlan la identidad de los que células madre differentiate. The ability to generate the desired cell type by controlled differentiation proved to be industrially important in areas such as desarrollo de fármacos, regenerative medicine, and the manufacture of valuable bio-materials. For example, one Canadian-based company, NovoHeart, developed a solution for researchers looking to conduct drug tests for cardiac diseases. Their MyHeart platform utilizes iPSCs to generate human cardiac tissue or organ models, such as their human ventricular cardiac organoid chamber (or human heart-in-a-jar), which more closely mimics the actual human heart environment than animal models typically used during preclinical development [13, 14]. MyHeart is intended to predict, more accurately, the effects of new drugs before they head to ensayos clínicos. Another company is focused on bringing stem cell technology directly to the point of need. Biogénesis plaquetariauna startup de 2014 con sede en Massachusetts, está desarrollando un biorreactor móvil a demanda para la terapia celular sobre el terreno, como en los puestos médicos militares [15, 16]. El biorreactor fabrica células similares a las plaquetas derivadas de iPSC que se están desarrollando actualmente para tratar enfermedades de la coagulación de la sangre como la trombocitopenia inmunitaria [16].

"Al integrar @HarvardGracias a la tecnología de biorreactores con válvulas de Novoheart y a nuestro propio corazón humano en una jarra, la empresa podrá mejorar su capacidad de modelado de enfermedades hasta alcanzar un nivel de biofidelidad sin precedentes en los ensayos cardíacos humanos in vitro", explica Kevin Costa.https://t.co/zBwXX48EPL

- Novoheart (@Novoheart) 19 de diciembre de 2019

 Las tecnologías de las células madre no se limitan ciertamente a la investigación y los tratamientos médicos, y así lo demuestra el número de empresas que invierten en carnes cultivadas y proteínas alternativas. Utilizando la agricultura celular, empresas como Campos futuros, Memphis Meatsy Super Carne están desarrollando pollo, ternera, pato, huevos y leche cultivados en laboratorio. La primera hamburguesa se produjo en 2013 en el laboratorio de Mark Post en la Universidad de Maastricht, pero por el colosal precio de unos $300.000 dólares [17, 18]. Desde entonces, las empresas han corrido para reducir los costes de fabricación, con Super Meat, con sede en Israel, que podría liderar la carrera: el lanzamiento del primer menú de degustación de pollo cultivado en laboratorio este mes de octubre en su restaurante, The Chicken [19, 20].

5. CRISPR-based Platforms

Desde el descubrimiento del Streptococcus pyogenes CRISPR-Cas9 adaptive immune response by the groups of Jennifer Doudna and Emmanuelle Charpentier [21], both of whom are this year’s Nobel prize recipients in química, a number of CRISPR-based companies have been established. However, the first commercial application actually began in 2007 when scientists at Danisco (acquired by DuPont in 2011) discovered short repeat sequences in the genome of one of their yogurt bacteria, Streptococcus thermophilus [22, 23]. Identificaron que se trataba de repeticiones palindrómicas cortas agrupadas y regularmente interespaciadas (CRISPR), utilizadas por S. thermophilus para defenderse de las infecciones por bacteriófagos [23]. Más tarde, Dupont utilizó su descubrimiento para diseñar cepas resistentes a los fagos en su proceso de fabricación de yogur [22, 23]. Aproximadamente una década después, se han caracterizado varios sistemas CRISPR-Cas, hasta la estructura atómica, siendo CRISPR-Cas9 el más estudiado.

La tendencia a desarrollar organismos de importancia industrial ha continuado hasta hoy y, mediante la tecnología CRISPR-Cas9, es más rápida que nunca. Synthetic Genómicaen colaboración con Exxon Mobile, está desarrollando microalgas editadas con CRISPR con una mayor producción de lípidos, lo que mejoraría la fabricación de petróleo al reducir potencialmente las emisiones de CO2 y la dependencia de los combustibles fósiles [24, 25]. PLANTeDit y Toolgen están utilizando CRISPR-Cas9 para diseñar cultivos sostenibles como la soja sin introducir ADN extraño [26]. Esto se denomina edición genómica sin ADN y, aunque sus cultivos se modificarán genéticamente, evitarán los obstáculos reglamentarios de los OMG [26].

Las primeras empresas que iniciaron ensayos clínicos en humanos con una terapia basada en CRISPR fueron Terapéutica CRISPR y Vertex Pharmaceuticals en 2018 [27-29]. El CTX001 es un ex vivo que se está investigando para el tratamiento de la β-talasemia y la anemia falciforme [30]. La terapia consiste en extraer las células madre de la sangre del paciente, modificar el gen mediante CRISPR-Cas9 y reintroducir las células en el paciente. Aunque la evaluación clínica del CTX001 aún es incipiente, los resultados preliminares (presentados este mes de junio) mostraron los beneficios potenciales del tratamiento en pacientes con hemoglobinopatías [31].

6. Directed Evolution Platforms

En 2018, Frances Arnold, George Smith y Gregory Winter fueron galardonados con el Premio Nobel de Química por su investigación en la evolución dirigida de enzimas, péptidos y anticuerpos [32]. Las plataformas de evolución dirigida suelen implicar la generación de grandes bibliotecas genéticas aleatorias que expresan variantes del gen de interés. Estas bibliotecas se examinan seleccionando las variantes de la proteína que presentan las propiedades deseadas, como el aumento de la unión al ligando o la actividad catalítica. Este proceso suele repetirse mediante el cribado de bibliotecas adicionales basadas en las variantes seleccionadas hasta que se alcanza un límite de selección. Mediante este proceso se han desarrollado varias terapias basadas en proteínas: Humira (AbbVie), Lumoxiti (MedImmune), y Gamifant (NovImmune) [33].

Una empresa ha ampliado la tecnología de evolución dirigida. Carmot Therapeutics, a drug discovery company based in Berkeley, developed the Chemotype Evolution platform to identify novel drugs. During Chemotype Evolution, a set of small molecules are linked to a proprietary fragment collection to generate a library of candidate drugs. The library is screened against a human target and selected candidate drugs are submitted to further rounds of linkage and selection until the candidate drug has evolved into an high-affinity binding molecule [34]. Using Chemotype Evolution, Carmot identified two candidate compounds that are currently in clinical trials [34]. Other companies are using directed evolution to generate microbial platforms. Primordial Genetics, a San Diego-based biotech, is developing a platform that produces large microbial libraries through combinatorial genetics called the Function Generator [35]. Function Generator allows them to select for specific microbes that can potentially address a range of issues, from identifying stress tolerant yeasts for biofuel production to microbes capable of degrading plastics efficiently [35].

7. Microbiome-based Innovations 

En 2007, los Institutos Nacionales de Salud de los Estados Unidos lanzaron el Proyecto del Microbioma Humano (HMP) para proporcionar apoyo financiero, bases de datos de referencia y otros recursos para la investigación del microbioma [36]. De este modo, el establecimiento del HMP fomentó un florecimiento de la producción de investigación junto con un aumento significativo de la ayuda a la financiación [36]. Lo que se produjo a lo largo de los años fueron en gran medida herramientas de investigación computacional y estadística (debido a los enormes conjuntos de datos que se generaron) y una serie de empresas del microbioma. Muchas de estas empresas se centraron en el tratamiento de enfermedades humanas, como las soluciones tópicas que restauran el microbioma de la piel (AOBiome, [37]) o la administración de fármacos mediante bacterias intestinales (Blue Turtle Bio, [38]), mientras que algunas empresas utilizaron las tecnologías del microbioma de otras maneras. Aster Bio developed the Environmental Genomics platform to assist their clients in monitoring liquid waste output and prevent contamination of natural water bodies [39]. The platform profiles waste samples by detecting genetic biomarkers that are specific to key microbes, informs on potential operational issues (such as insufficient ammonia removal), and directs waste water treatment [39]. Sunnyvale-based Floragraph también examina los residuos, pero pretende llevar el análisis del microbioma directamente al hogar [40]. Su dispositivo de microbioma portátil está diseñado para clientes interesados en el autocontrol de enfermedades crónicas o en el seguimiento de la salud de los animales de compañía mediante el análisis del microbioma de las muestras de heces [40]. Aunque no se sabe con certeza cuántas personas querrían analizar su propia caca en casa, el Floragraph aporta portabilidad, rentabilidad y accesibilidad al análisis del microbioma. Para las aplicaciones médicas y de investigación sobre el terreno, este dispositivo podría satisfacer la necesidad.

8. DNA Hard Drives

Hemos recorrido un largo camino desde los primeros días de los sistemas de almacenamiento de datos electrónicos como el tambor magnético y los disquetes. Los avances tecnológicos han aumentado nuestra capacidad de almacenamiento de datos en enormes órdenes de magnitud, desde decenas de kilobytes (tambor magnético) hasta el rango de los petabytes (servidores en la nube) [41]. Este enorme espacio de almacenamiento conlleva también la necesidad de un enorme espacio físico para albergar las granjas de servidores que dan soporte a la nube. Los científicos estudiaron por primera vez el uso de moléculas de ADN para el almacenamiento de datos en 1988, con la inserción de 35 bits de unos y ceros que codificaban una imagen de 5 por 7 bits cuadrados en el E. coli genoma [42, 43]. Desde entonces, varias instituciones y empresas han invertido sus esfuerzos en el desarrollo de sistemas de almacenamiento de datos basados en el ADN, dado que el coste, el uso de energía y el espacio se reducen significativamente en comparación con el mantenimiento de granjas de servidores [42]. Se estima que el almacenamiento de todos los datos del mundo se comprimiría en apenas 1 kg de ADN [42]. Entonces, ¿cómo se pueden "cargar" las fotos o la música en el ADN? Los científicos del Universidad de Washington y Microsoft trataron de abordar esta cuestión en su estudio de prueba de concepto para un sistema automatizado de almacenamiento de ADN [44]. Demostraron que su dispositivo era capaz de codificar un "Hola" de 5 bytes en una secuencia de ADN, sintetizar, almacenar, secuenciar el ADN y recuperar el "Hola" [44]. El proceso completo duró 21 horas y no sería práctico hoy en día para almacenar una sola foto. Pero dada la velocidad a la que se están desarrollando estas tecnologías, no será extraño verlo disponible en un futuro muy cercano.

9. DNA Origami 

El emparejamiento de bases de los nucleótidos en el ADN y el ARN los convierte en un atractivo material biomolecular con capacidad de "autoensamblaje". Así lo demostraron varios grupos a mediados de la década de 2000 [45-47], como Paul Rothemund, que presentó un método para ensamblar el ADN en cuadrados bidimensionales, triángulos, caras felices y otras formas [48]. En 2017, varios laboratorios de investigación fueron capaces de construir las mayores nanoestructuras de ADN: grandes nanorods, ladrillos y baldosas que se unieron para formar enormes estructuras con longitudes en el rango de cientos de nanómetros a más de una micra [49-51]. Estos estudios presentan imágenes claras y tridimensionales de las nanoestructuras de ADN que demuestran que los ácidos nucleicos pueden ser diseñados para ensamblarse en cualquier número de estructuras con potencial de aplicación en medicina, electrónica y biomateriales. Actualmente, el origami de ADN se está desarrollando para generar plataformas de administración de fármacos (Genisphere), nanorobots de diagnóstico (Nanovery), y nanofibras embebidas en enzimas para aplicaciones como la producción de metabolitos (TejidoNano) [52]. Nanovery’s nanorobots are designed using inteligencia artificial to detect circulating tumor DNA (ctDNA) [53]. Their diagnostic nanorobot is intended to replace current liquid biopsy tests for ctDNA, which require extensive time and cost. The nanorobot is inserted into a blood sample and if cancerous DNA is detected, lights up within 1-2 hours. As mutations continue to accumulate in cancerous DNA, Nanovery intends to continuously evolve their nanorobots to detect these new mutations [53].

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— Genetic Engineering & Biotecnología News (@GENbio) 10 de diciembre de 2017

10. Artificial Intelligence in Medicine

Aunque inteligencia artificial y aprendizaje automático are not considered biotechnologies, they deserve a mention due to their impact in the medical field. Research interest in AI-based medical applications has grown significantly over the past decade, as shown by the 20-fold increase in relevant publications from 2010 (596 papers) to 2019 (12422) [54]. At the time of writing, there were a little over 70 market approved AI algorithms for medical applications, according to a study conducted by the University of Groningen and the Medical Futurist Institute [54, 55]. A number of these applications use image-based machine learning algorithms for the analysis, diagnosis, or assessment of disease. QuantX de Qlarity Imaging es una ayuda para que los radiólogos identifiquen con mayor rapidez y precisión las manchas anormales en las imágenes de RM de mama [56]. En un estudio clínico en el que se evaluó la capacidad de un radiólogo para identificar correctamente lesiones malignas en imágenes de RM, los radiólogos obtuvieron mejores resultados cuando utilizaron el software QuantX [57]. El interés de la investigación ha crecido especialmente en el desarrollo de robots médicos totalmente autónomos, que actualmente están siendo entrenados para completar tareas muy específicas. El dispositivo IDx-DR, desarrollado por Diagnóstico digitalcaptura imágenes de la retina para diagnosticar la retinopatía diabética, una causa de ceguera en los pacientes diabéticos [58]. Las imágenes son analizadas por una máquina de IA entrenada para detectar biomarcadores como depósitos de proteínas y exudados, y emite un informe de diagnóstico en 30 segundos. También se está trabajando en el desarrollo de robots quirúrgicos totalmente autónomos, asistentes médicos a domicilio y robots de apoyo a la salud mental.

Referencias

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