“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

Muchas gracias!!