Con la finalidad de ofrecer información exclusiva sobre un campo emergente de la ciencia, este informe de CAS Insights repasa los hitos históricos, las nuevas aplicaciones y las tendencias emergentes encontradas en CAS Content Collection™. Los exosomas son unas nanopartículas lipídicas de la naturaleza cuyas extraordinarias propiedades físicas abrirán la puerta en el futuro a nuevas aplicaciones en los campos del desarrollo y la administración de fármacos y el diagnóstico.
En los últimos años, las nanopartículas lipídicas han cobrado protagonismo por su papel en las vacunas de ARNm, pero los exosomas reciben con frecuencia el nombre de “nanopartículas lipídicas de la naturaleza”. Este subconjunto de las vesículas extracelulares podría revolucionar los campos de la administración de fármacos y el diagnóstico en el futuro. Sus extraordinarias propiedades físicas (estabilidad natural, biocompatibilidad y capacidad de atravesar la barrera hematoencefálica) pueden tener numerosas ventajas en el futuro.
En este artículo revisado por pares publicado en ACS Nano, se usa CAS Content Collection para examinar los múltiples beneficios de los exosomas en el desarrollo de medicamentos y el diagnóstico. Esto incluye un examen de los descubrimientos históricos, el uso potencial como vehículo de administración de medicamentos y su nuevo papel en el campo del diagnóstico.
Los exosomas, también conocidos como “nanopartículas lipídicas de la naturaleza”, son un subconjunto de vesículas extracelulares liberadas por las células como parte de sus procesos fisiológicos normales o cuando se dan ciertas patologías. Están captando la atención de la comunidad científica por su capacidad de transmitir mensajes entre las células en la forma de proteínas, ácidos nucleicos y otras biomoléculas. Su potencial terapéutico y diagnóstico está generando interés tanto en el mundo corporativo como en las instituciones académicas. Para predecir y aprovechar al máximo el potencial del exosoma es importante entender el alcance y la variedad del panorama de la investigación.
En esta serie de tres partes, exploramos la historia de los exosomas antes de describir los últimos avances relacionados con ellos en los campos de la administración de medicamentos y el diagnóstico. Basándonos en los datos de CAS Content Collection™, ofrecemos una panorámica de los avances recientes en la investigación de las aplicaciones de los exosomas y repasamos las oportunidades y los desafíos de esta área que crece con rapidez.
Han pasado ya más de cincuenta años desde que los investigadores observaron por primera vez unas partículas diminutas en el plasma humano. Descubrieron que ese material, que ellos llamaron “polvo de plaquetas”, era rico en lípidos y probablemente participaba en la activación de las plaquetas. Fue ya en la década de 1980 cuando estas vesículas extracelulares de entre 30 y 150 nm se definieron por primera vez y se acuñó el término “exosomas”.
Al igual que los liposomas, los exosomas se componen de una membrana lipídica y un medio acuoso interno. Sin embargo, se descubrió que los exosomas poseen una estructura más compleja y contienen un amplio conjunto de proteínas y lípidos. Los exosomas, que se producen en el compartimento endosómico de la mayoría de las células eucariotas, se liberan después al espacio extracelular mediante la fusión con la membrana plasmática. Al ser liberados por la célula que los ha secretado, transmiten mensajes a las células receptoras por medio de varios mecanismos, incluida la interacción con receptores de la superficie, la fusión de membranas y la micropinocitosis, fagocitosis o endocitosis mediada por receptor (figura 1).
Figura 1. Representación esquemática de la biogénesis y la secreción de los exosomas. El gráfico insertado muestra los componentes moleculares de los exosomas.
Desde su clasificación inicial, otros estudios han revelado que los exosomas son secretados por la mayoría de los tipos de células viables, incluidos los inmunocitos, las células epiteliales intestinales y las neuronas. Los exosomas también están presentes en varios fluidos biológicos, como la sangre, la orina, la saliva, la leche materna, el líquido amniótico, sinovial y cefalorraquídeo, e incluso las lágrimas.
La vía exosómica de tráfico intercelular desempeña un papel importante en muchos aspectos de la salud y la enfermedad, incluida la inmunidad, la homeostasis tisular y la regeneración. Los exosomas hacen posible una señalización y comunicación intercelular eficiente entre las células y a través de diversas barreras biológicas (como la barrera hematoencefálica). Los exosomas son sistemas eficaces de transporte celular, capaces de llevar una carga bioactiva, como proteínas, lípidos y ácidos nucleicos. Aunque participan en algunas actividades fisiológicas importantes, también desempeñan un papel clave en la patogenia de enfermedades como el cáncer, las enfermedades cardiovasculares y neurodegenerativas y las infecciones víricas.
Para entender cómo pueden inducir estas pequeñas partículas estos importantes efectos a gran escala, es necesario analizar sus propiedades distintivas. En primer lugar, son estables de manera natural por su membrana de doble capa lipídica, que les permite circular incluso en un microentorno tan extremo como el de los tumores. La doble capa lipídica minimiza además la capacidad inmunógena y la toxicidad, lo que favorece su estabilización en el espacio extracelular. Por su origen endógeno, los exosomas también presentan un alto grado de biocompatibilidad. Por último, tienen una excelente capacidad de penetración en los tejidos y las células. A causa de estas propiedades, los exosomas tienen el potencial de superar varias de las limitaciones asociadas con otros sistemas de administración de fármacos. De hecho, los investigadores están empezando a reconocer sus ventajas con respecto a otros sistemas de transporte de medicamentos.
Un análisis de CAS Content Collection™ —la mayor recopilación de conocimiento científico publicado seleccionada por expertos— ha revelado algunos datos fascinantes sobre las tendencias de publicación relacionadas con los exosomas. Actualmente, hay más de 40 000 publicaciones científicas (artículos de revistas y patentes) relacionadas con los exosomas y las vesículas extracelulares en CAS Content Collection, y se puede ver un crecimiento exponencial sostenido a lo largo del tiempo (figura 2).
Figura 2. Tendencias de publicación de revistas y patentes relacionadas con la investigación de los exosomas en los campos de la administración de fármacos y el diagnóstico, y asociación con la financiación de la investigación. (A) Tendencias del número de publicaciones relacionadas con el uso de los exosomas en la administración de fármacos y el diagnóstico, incluidos los artículos de revistas y las patentes. (B) Número de documentos procedentes organizaciones de EE. UU. y correlación con la financiación anual del NIH.
En los últimos 3 o 4 años, los exosomas se han impuesto a las nanopartículas lipídicas (NPL) como posibles portadores de fármacos, y el número de documentos, incluidos los artículos de revistas y las patentes, relacionados con las aplicaciones de los exosomas en la administración de medicamentos ha superado con creces el de las NPL (figura 3).
Figura 3. Tendencias de publicación sobre el uso de exosomas y nanopartículas lipídicas en aplicaciones de administración de fármacos. (A) Comparación de las tendencias en el número de publicaciones relacionadas con los exosomas y las nanopartículas lipídicas. (B) Porcentajes de publicaciones relacionadas con los exosomas (EX) y nanopartículas lipídicas (LNP) en artículos de revistas (JRN) y patentes (PAT).
Según la información de CAS Content Collection, Estados Unidos, China, Corea y Japón encabezan la investigación de los exosomas y han producido los mayores números de artículos de revistas y patentes relacionados con este tema. La actividad de patentes relacionada con los exosomas se divide a partes iguales entre el mundo corporativo y las instituciones académicas, lo que pone de manifiesto el reconocimiento universal de su potencial en la administración de fármacos, el diagnóstico y otras aplicaciones. MD Healthcare, Codiak Biosciences y OncoTherapy Science encabezan la lista de empresas en cuanto a número de patentes, mientras que la Universidad de California, la Universidad de Louisville y la Universidad de Zhejiang ocupan los primeros puestos de la lista de universidades y hospitales (figura 4). En lo tocante a la distribución de las patentes, la Organización Mundial de la Propiedad Intelectual (OMPI) recibió el número más alto de solicitudes de patentes, seguida por las oficinas de patentes de Estados Unidos y China, la Oficina Europea de Patentes (OEP) y las oficinas de patentes de Corea y Japón.
| Empresas | Número de patentes | Universidades y hospitales | Número de patentes |
| MD Healthcare | 51 | Universidad de California | 43 |
| Codiak Biosciences | 44 | Universidad de Louisville | 28 |
| OncoTherapy Science | 33 | Universidad de Zhejiang | 26 |
| Evelo Biosciences | 26 | Hospital Xiangya de la Universidad Central del Sur | 24 |
| ExoCoBio | 24 | Universidad de Texas | 23 |
| Evox Therapeutics | 18 | Universidad de Cornell | 20 |
| Figene | 12 | National Center for Nanoscience and Technology | 17 |
| Orthogen | 11 | Cedars-Sinai Medical Center | 16 |
| Arbor Biotechnologies | 10 | Universidad del Sudeste | 15 |
| Samsung Life Public Welfare Foundation | 10 | Universidad Católica de Corea | 15 |
| Unicyte | 9 | Instituto de Ciencia y Tecnología de Corea | 14 |
| Henry Ford Health System | 8 | Universidad Médica de las Fuerzas Aéreas del Ejercito Popular de Liberación | 14 |
| Cavadis | 7 | Yeditepe Universitesi | 14 |
| Exosome Therapeutics | 7 | Instituto Tecnológico de Massachusetts | 13 |
| ExoStem Biotechnic | 7 | Mayo Foundation for Medical Education Research | 12 |
| Reneuron Limited | 7 | Morehouse School of Medicine | 12 |
| Biorchestra | 6 | Innovation Foundation, Universidad Estatal de Ohio | 12 |
| Flagship Pioneering Innovations | 6 | The General Hospital Corporation | 12 |
| Isis Innovation Limited | 6 | Universidad de Jinan | 11 |
| NanoSomix | 6 | Universidad de Soonchunhyang | 11 |
Figura 4. Principales cesionarios de patentes de empresas (A) y universidades y hospitales (B) para patentes relacionadas con las aplicaciones de los exosomas en la administración de fármacos y el diagnóstico.
Debido a sus excepcionales propiedades y a su papel en una amplia gama de procesos fisiológicos y patológicos, los exosomas se han convertido en una de las estrellas en alza en los campos de la administración de fármacos y el diagnóstico. Las posibles aplicaciones de estos nanoportadores naturales parecen ilimitadas, y también se están explorando otras aplicaciones en el ámbito de los cosméticos y la alimentación.
En nuestra próxima entrada de la serie, profundizaremos en las principales aplicaciones de los exosomas en la administración de fármacos y el diagnóstico y ofreceremos más información de CAS Content Collection. Mientras tanto, puede obtener más información sobre este tema en el informe sobre los exosomas de CAS Insights.
La desformulación es el proceso que permite determinar la composición exacta de productos conocidos. Partiendo de las proporciones relativas de los ingredientes, se determinan las cantidades precisas de cada uno de ellos. La desformulación también se conoce como ingeniería química inversa.
La desformulación química de productos permite a las organizaciones:
Aunque los investigadores han recurrido al aprendizaje automático para el descubrimiento y la optimización de productos químicos y materiales, la desformulación se suele realizar de manera experimental con la ayuda de los métodos de la química analítica. La cantidad relativamente limitada de datos estructurales disponibles para las formulaciones químicas lastra muchas iniciativas de desformulación basadas en la IA. Buena parte de los datos de formulación fácilmente accesibles están incompletos y son incoherentes en cuanto a su registro de los ingredientes y las cantidades de estos.
El artículo Toward Predictive Chemical Deformulation Enabled by Deep Generative Neural Networks de Industrial Engineering Chemistry Research demuestra que es posible entrenar unos modelos generadores no supervisados, los autocodificadores variacionales (VAE), para obtener sugerencias de recetas de formulación basadas en datos con rapidez.
Una red neuronal VAE entrenada con datos de formulaciones seleccionados por los científicos de CAS aprende representaciones de formulaciones de varias clases de productos, como antitranspirantes y productos para el cuidado bucal, que han tenido mejores resultados, de media, que los métodos más convencionales. El artículo afirma que este enfoque “produce estimaciones que son considerablemente más precisas que los métodos de vecinos más cercanos, se extrapolan mejor a formulaciones que son muy distintas de las ya conocidas y proporcionan una manera de aprovechar conjuntos de datos grandes con fines relevantes desde el punto de vista industrial”.
Las formulaciones catalogadas en CAS Content Collection™ ofrecen representaciones coherentes y muy estructuradas de las formulaciones e identidades químicas de sus componentes. Gracias a unos procesos de selección exclusivos que utilizan tanto tecnologías especializadas como conocimientos científicos, CAS puede identificar de manera coherente los componentes químicos de cada formulación, sus grupos y sus cantidades. Los autores señalan que “sin el conjunto de datos de CAS, la validación práctica de estos métodos generadores para aplicaciones de desformulación no habría sido posible”.
Explore estos hallazgos en el artículo completo, “Toward Predictive Chemical Deformulation Enabled by Deep Generative Neural Networks”.
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Las vacas se llevan buena parte de la culpa por el problema de las emisiones de gases de efecto invernadero asociadas a la alimentación, pero los alimentos de origen vegetal también tienen una huella de gases de efecto invernadero de la que nadie habla. Aunque la contribución del ganado es importante, los “aspectos ocultos”, como la producción de fertilizantes, también contribuyen a los 13 700 millones de toneladas métricas equivalentes de CO2 generadas por nuestro sistema alimentario.
Los fertilizantes, los suplementos para las plantas (nitrógeno, fósforo, potasio, etc.) y las prácticas de gestión del suelo también realizan contribuciones ocultas. Aunque el nitrógeno, el fósforo y el potasio son cruciales para la agricultura, sus fuentes, su producción y sus cadenas de suministro contribuyen a las emisiones de gases de efecto invernadero.
Descubra la visión de los expertos sobre las tendencias científicas y comerciales más recientes en los ámbitos del reciclaje de fósforo y la producción sostenible de fertilizantes. Únase a nosotros el 9 de noviembre a las 9:00 h (EDT) para asistir a un interesante seminario: Regístrese aquí.
Ante el crecimiento constante de la población mundial, no es de extrañar que un informe de 2019 de la FAO prediga que la demanda de nitrógeno para el uso en fertilizantes seguirá aumentando. Los métodos tradicionales de producción de amoníaco (como el proceso de Haber-Bosch) incrementan la disponibilidad de fertilizantes a base de amoníaco, pero también generan una cantidad considerable de dióxido de carbono. Sin embargo, muchos de los métodos utilizados para satisfacer esa demanda se centran actualmente en las prácticas tradicionales de producción de amoníaco, lo que seguirá aumentando la generación de gases de efecto invernadero.
Se están realizando numerosas investigaciones para desarrollar métodos de producción de amoníaco más sostenibles. Se puede lograr generando el hidrógeno empleado como materia prima mediante un proceso electroquímico con energía sostenible. No obstante, la química ofrece también conceptos más avanzados, por ejemplo, mediante la reducción fotoquímica o electroquímica del nitrógeno. La figura 1 muestra la reducción electroquímica directa del nitrógeno. El análisis de Hochman et al. descubrió que el método electrocatalítico directo era menos costoso que la alternativa con electrolisis de agua y Haber-Bosch.
Desde el punto de vista económico, la Comisión Europea está planificando aranceles sobre las emisiones de dióxido de carbono para la importación de mercancías. El plan arancelario es la solución de la UE para impedir que los importadores tengan ventajas con respecto a los productores de la UE, sujetos a unas políticas estrictas para combatir el cambio climático. Estas leyes entrarán en vigor de manera escalonada a lo largo de tres años, entre enero de 2023 y el final de 2026.
La inestabilidad del precio del gas natural y la actual situación geopolítica son factores de peso que pueden empujar a Europa a innovar para encontrar alternativas a la producción de amoníaco basada en el gas natural. Esto, sumado a procesos de electrolisis a gran escala más asequibles para generar amoníaco, hará que el amoníaco verde sea pronto competitivo.
En los últimos años, han sido frecuentes los artículos sobre “la crisis del fósforo”. La asequibilidad para los agricultores, la contaminación, el uso excesivo de fertilizantes y el control geopolítico de los recursos naturales del fósforo han contribuido a agravar el problema. Existen dudas también sobre la cantidad de roca de fosfato que se puede extraer y sobre cómo de “bueno” es hacerlo.
El resultado es un problema de disponibilidad de alimentos y calidad del agua que no hará sino aumentar con el crecimiento de la población. Los costes de hacer frente a la contaminación del agua por fosfatos son tan altos como los efectos tóxicos de las floraciones de algas resultantes.
Las aguas residuales son una fuente importante de fósforo secundario: es necesario extraerlo, lo que abre la puerta a su recuperación. El reciclaje del fósforo de las aguas residuales, los biosólidos y las cenizas de los lodos resultantes de la depuración de aguas residuales comienza con métodos como la precipitación química y el uso de microorganismos para mejorar la extracción biológica del fósforo.
Desde 2001, ha habido un aumento general de la literatura científica publicada sobre métodos de tratamiento de aguas residuales asociados con la recuperación de nutrientes para fertilizantes (figura 1). Los procesos biológicos de tratamiento son los más populares en la literatura, seguidos de los métodos físicos y los químicos. La recuperación de nutrientes es solo un aspecto del complejo proceso global de reciclaje del fósforo.
La precipitación de estruvita es un método cada vez más popular para extraer el fosfato de las aguas residuales. Aunque mejora el rendimiento de las plantas de tratamiento de aguas residuales, su potencial de recuperación de fósforo es bajo.
No obstante, extraer el fosfato de las aguas residuales es una de las caras del proceso, pero recuperarlo en un formato reutilizable es el siguiente reto, especialmente en relación con las diversas clases de fertilizantes existentes. Los métodos tradicionales de producción de fertilizantes tienen una capacidad limitada de convertir los materiales recuperados en productos de uso comercial.
Varios métodos para fabricar fertilizantes con el lodo procedente de la depuración de aguas residuales o con las cenizas de este ya están en una fase avanzada de desarrollo. Estos procesos comienzan a menudo con un residuo que contiene fosfato y que se somete a transformaciones químicas profundas para obtener materiales que se puedan introducir en la cadena de valor. Por ejemplo, las tecnologías de reciclaje del fósforo pueden consumir una cantidad considerable de energía (incluidos los pasos intensivos de secado o concentración), algo que es necesario controlar.
¿Qué dicen los expertos sobre la convergencia de las tendencias científicas y comerciales para mejorar la sostenibilidad de la producción de fertilizantes? Descubra la interesante visión del Dr. Willem Schipper, de Willem Schipper Consulting, y la Dra. Lisa Babcock-Jackson, de CAS, sobre la producción sostenible del amoníaco y el reciclaje de fosfatos.
Regístrese para ver nuestro seminario web reciente “Tendencias comerciales y científicas en el ámbito de los fertilizantes sostenibles”, celebrado el 9 de noviembre a las 9:00 h (EDT).
Si produce fertilizantes, fosfatos o cualquier otro producto esencial para la agricultura, sabe que la sostenibilidad supone un gran desafío. Únase a nosotros para conocer las últimas noticias sobre el reciclaje de fosfatos, la producción sostenible de amoníaco y la producción de fertilizantes alternativos. Descubra las últimas tendencias del mercado, la investigación científica y las publicaciones para conocer las oportunidades futuras.
Únase a Willem Schipper, de Willem Schipper Consulting, y Lisa Babcock-Jackson, de CAS, que revelarán las oportunidades futuras que están transformando la gestión de residuos y los procesos agrícolas.
Gartner define los datos oscuros como “los activos de información que las organizaciones recopilan, procesan y almacenan en el curso de sus actividades empresariales, pero que generalmente no usan para otros fines”. Como nadie sabe qué datos hay ahí o cómo se puede acceder a ellos, la información que contienen permanece en la oscuridad.
Los equipos de investigación y desarrollo (I+D) acumulan durante periodos largos de tiempo enormes cantidades de datos complejos que, si se analizan correctamente, pueden ser una gran fuente de información útil para mejorar la toma de decisiones e impulsar la innovación. Sin embargo, los datos pueden acabar compartimentalizados en varios sistemas de bases de datos desconectados con una capacidad de búsqueda limitada, lo que dificulta y ralentiza muchísimo el acceso a las partes más importantes.
En efecto, los datos de una empresa pueden estar ocultos para sus propios investigadores, lo que puede traducirse en repeticiones innecesarias de experimentos y tiene implicaciones en cuanto a tiempo y costes. Además de ocultar los datos, los sistemas de gestión de datos actuales pueden tener dificultades para conectar los datos internos con fuentes externas. Esto es una oportunidad perdida para generar una gestión del conocimiento más exhaustiva y completa.
Se estima que el 55 % de los datos almacenados por las organizaciones son datos oscuros. A pesar de esto, alrededor del 90 % de los ejecutivos y directivos de TI y de negocio del mundo admiten que todas las organizaciones tendrán que extraer valor de estos datos no estructurados para tener éxito en el futuro.
En pocas palabras, si la información se sigue recopilando y almacenando y queda sin usar, seguirá engrosando los datos oscuros. ¿Cómo pueden arrojar luz las organizaciones sobre estos valiosos datos de I+D? Estas prácticas pueden ayudar a revelar su potencial oculto:
Para superar el obstáculo que supone tener los datos de I+D almacenados en silos, un primer paso crucial es determinar qué colecciones de datos son las más valiosas para facilitar su descubrimiento. Es esencial proporcionar a las personas de la organización que lo requieran un acceso intuitivo a los hallazgos y resultados experimentales.
¿Hay conocimientos en cuya recopilación se invierte tiempo y dinero, pero que las organizaciones conservan como datos oscuros a los que no se da ningún uso posterior? Cuando salen a la luz, los datos experimentales y resultados de investigaciones ya existentes pueden servir como guía para invertir con acierto y evitar la repetición de experimentos.
La gestión del conocimiento en el campo de la I+D no debe limitarse a la captura de la información, sino incluir también una gestión de datos intencionada para guiar la toma de decisiones. Las organizaciones solo pueden lograr convertir los datos en conocimiento útil si los organizan de manera que admitan búsquedas, estén conectados y sea fácil acceder a ellos. Puede que los datos no se usen todo el tiempo, pero debe ser posible encontrarlos cuando sea necesario.
Para aprovechar la información que poseen, las organizaciones necesitan las soluciones de TI y los conocimientos adecuados para crear marcos de gestión de datos que permitan organizar los datos de I+D. Un problema que surge con frecuencia es la armonización de la terminología científica en distintas fuentes de información. Sin un contexto científico coherente, algunas informaciones vitales pueden escapar a las búsquedas en las bases de datos.
CAS usa glosarios, ontologías y taxonomías especializados, tecnologías patentadas de comparación de sustancias y conocimientos de científicos para estandarizar el lenguaje científico. De este modo se garantiza que los investigadores tienen a su alcance la información esencial que necesitan.
Unos datos de I+D bien estructurados y fácilmente accesibles mejoran la eficiencia. No solo se ahorra tiempo al buscar los datos requeridos; además, se puede evitar la repetición innecesaria de experimentos, con el consiguiente ahorro de tiempo y de costes. Otra ventaja importante es que la toma de decisiones estratégicas se puede acelerar y mejorar, lo que ayuda a las organizaciones a conservar su ventaja competitiva.
CAS va un paso más allá y no se limita a buscar los datos: también conecta la información tanto internamente como con la ciencia mundial. Este caso práctico sobre una solución de gestión del conocimiento muestra cómo se pueden vincular y enriquecer de forma segura los documentos de una organización con CAS Content CollectionTM, y cómo se pueden vincular también a datos seleccionados de forma personalizada de un sector concreto para lograr que los datos internos sean más sólidos. Cuando los conceptos de la investigación interna están conectados con otras publicaciones y patentes similares de todo el mundo, se pueden identificar tendencias, colaboradores y competidores.
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Conectar los datos de una organización a la ciencia mundial permite mejorar la toma de decisiones, acelerar la innovación y extraer más valor de los datos.
Descubra cómo han impulsado el descubrimiento nuestras innovadoras soluciones de información en una gran organización dedicada a la tecnología sanitaria. Para obtener más información, descargue el caso práctico “Aproveche el potencial de los datos de I+D internos: seleccione y conecte los datos para obtener información que admita búsquedas”.
Aunque muchas personas creen que la nuclear es una forma de energía peligrosa, hay nuevas técnicas que reducen los riesgos, mejoran la capacidad de reciclaje de los residuos nucleares y tienen bajas emisiones. Descubra por qué estas tendencias emergentes y nuevas estrategias de reciclaje están redefiniendo la energía nuclear para el futuro en nuestro artículo más reciente.
