Agentes fotosensibilizantes teranósticos para cirugía guiada por fosforescencia

La terapia fotodinámica (PDT, acrónimo inglés de Photodynamic Therapy) es una terapia no invasiva que utiliza luz, inofensiva por sí misma, para activar fotocatalizadores – llamados fotosensibilizadores – que generan especies reactivas de oxigeno (EROs) en la región iluminada. Los EROs son especies altamente oxidantes que eliminan las células donde se han generado durante los tratamientos fotodinámicos. Se trata de una propuesta de terapia, tanto para tratamiento de infecciones microbianas como de cáncer, que tiene numerosas ventajas en términos de aplicabilidad, seguridad, selectividad, repetitividad y resolución, tanto espacial como temporal, que además presentan un potencial generador de resistencia muy bajo.  Un objetivo actual en PDT es determinar la dosis de EROs que se han generado. Desarrollar nuevas estrategias para la detección a tiempo real de los EROs generados durante la terapia es esencial para asegurar la eficacia y seguridad del tratamiento y mejorar así la práctica clínica.

El grupo de investigación AppLightChem de IQS School of Engineering, coordinado por el Dr. Santi Nonell, tiene amplia experiencia en la investigación en el campo de la terapia fotodinámica. El Dr. Roger Bresolí se reincorpora a este grupo como investigador postdoctoral, con el proyecto “Modelos innovadores de fotosensibilizadores teranósticos aplicados a la cirugía guiada por fosforescencia, combinada con fototerapia dinámica”. El objetivo del proyecto es buscar soluciones para mejorar las técnicas de dosimetría de los EROs, mediante técnicas ópticas avanzadas.

Para la realización de este proyecto, el Dr. Bresolí cuenta desde el pasado mes de julio con una de las prestigiosas becas Beatriu de Pinós de la Generalitat de Catalunya, concedidas a través de la Agencia de Gestión de Ayudas Universitarias y de Investigación AGAUR. Recientemente, también ha conseguido una de las muy reconocidas becas Ramón y Cajal que otorga la Agencia Estatal de Investigación.

Hablamos con el Dr. Roger Bresolí y con su supervisor, el Dr. Santi Nonell, sobre su reincorporación y el proyecto que está llevando a cabo.

Roger, defendiste en 2018 tu tesis doctoral realizada en IQS. Explícanos cual ha sido tu recorrido como investigador desde entonces.

Roger B. Efectivamente, realicé mi tesis doctoral con el Dr. Santi Nonell, dentro del grupo AppLightChem, tesis que versaba sobre explorar estrategias para la formación y detección de EROs, sobre todo desde un punto de vista más químico/biológico. Después, quise seguir investigando y formándome en el campo de la fotónica y óptica, no tanto desde la visión biológica, sino más desde la exploración de métodos científicos para aprender diferentes técnicas de microscopia avanzada, como pueden ser STED, STORM, microscopia confocal, etc. Por eso, decidí ir a la Katholieke Universiteit de Leuven, a trabajar con el profesor Dr. Johan Hofkens, quien me propuso formar parte de una nueva línea de investigación que trataba sobre el desarrollo de pinzas ópticas – optical tweezers – . La idea principal  consistía en utilizar un haz de luz (de alta densidad fotónica) que pueda generar una fuerza óptica sobre partículas de medida micro- y nano-métrica. Estas fuerzas ópticas, si están en equilibrio, permiten atrapar estas partículas. Adicionalmente, moviendo la posición focal del láser, se puede conseguir desplazar estas partículas con una alta resolución tanto espacial como temporal.

Esta investigación también se hizo en colaboración con el Dr. Hiroshi Masuhara, de la National Yang Ming Chiao Tung University de Taiwan, donde se establecieron las bases teóricas de la utilización de estas pinzas ópticas en interfaces, descubriendo como se podía expandir el potencial óptico desde las áreas que están directamente irradiadas a otras zonas donde, en teoría, no habría llegado luz por no estar siendo directamente irradiadas.

Con todo esto, desarrollamos un nuevo tipo de microscopia basada en sistemas de fluorescencia de campo amplio, pero que en el mismo momento permitía adquirir diferentes planos e imágenes a diferentes alturas, obteniendo imágenes 3D.

Esto es lo que hice en mi estancia fuera, donde he aprendido tanto óptica como fotónica.

Y ahora regresas a IQS para seguir trabajando con el Dr. Santi Nonell

Roger B. Y ahora vuelvo a aquí, si, al grupo AppLightChem, para poder combinar con Santi los conocimientos de óptica con aspectos de fotobiología. Por ejemplo, queremos desarrollar un nuevo tipo de microscopio de campo amplio para la detección del infrarrojo cercano. Desarrollaremos este microscopio aprovechando los conocimientos de óptica que he adquirido y será utilizado en un primer momento para la detección de la fosforescencia de oxígenos singlete (uno de los principales EROs), pero en un futuro prevemos que sea utilizado para la obtención de imágenes de diferentes fluoróforos que emitan en el infrarrojo cercano.

“Queremos desarrollar un nuevo tipo de microscopio de campo amplio para la detección de emisión en la zona del infrarrojo cercano”

Además, ahora también haré docencia en IQS en Química Física, tanto en el grado de Biotecnología como en el de Farmacia.

Dentro de todo este marco de investigación, ahora trabajas en el proyecto “Modelos innovadores de fotosensibilizadores teranósticos aplicados a la cirugía guiada por fosforescencia, combinada con fototerapia dinámica”. Explícanos en que consiste.

Roger B. Se trata de un proyecto de amplio espectro. La idea es evaluar estrategias en las que poder combinar terapias fotodinámicas con conceptos de óptica, especialmente en el NIR (infarrojo cercano), para hacer teragnosis, es decir, diagnóstico y tratamiento. Queremos aprovechar la fosforescencia NIR para determinar la concentración de oxigeno dentro de las células, durante el tratamiento fotodinámico.

“En este nuevo proyecto, evaluaremos diferentes estrategias para combinar terapias fotodinámicas con conceptos de óptica”

Con este proyecto has conseguido una beca del programa Beatriu de Pinós, de la AGAUR. ¿Qué representa para ti recibir esta beca?

Roger B. Correcto, se trata de una beca cofinanciada por la Comisión Europea. Me hace mucha ilusión haberla recibido, y me permitirá empezar una nueva etapa en mi vida de investigador. Y, sobre todo, me permitirá expandir aún más mi conocimiento en el mundo de las ciencias fotónicas aplicadas a las biociencias y la medicina.

Santi N. Se trata de una beca muy competitiva, pensada especialmente para recuperar el talento de investigadores formados en el extranjero y que retornen el talento hacia el país. El grupo del Dr. Hofkens en Lovaina es el referente en téncicas avanzadas de microcopia, herramientas clave para el desarrollo actual de la Química Física. Con esta beca, Roger podrá poner en marcha todas estas técnicas que ha aprendido en Lovaina y que, sin duda, contribuirán a hacer investigación trasnversal en IQS.

¿Qué supone para vuestro grupo el regreso de Roger?

Santi N. La incorporación de Roger potencia enormemente el grupo AppLightChem, incorporamos un activo importantísimo, tanto por lo buena persona que es, como por la tecnología y el conocimiento que aporta al grupo: nos permite abordar aspectos de investigación que hasta ahora no estaban a nuestro alcance, como es todo el tema de la obtención de imágenes en sistemas micro y nanoscópicos. Las nanociencias y las biociencias han puesto sobre la mesa la necesidad de estudiar y comprender, a  nivel molecular, los ejes de la heterogeneidad y las interacciones, por ejemplo, entre sistemas complejos, como fármaco-receptor, orgánulos-célula, etc. Para poder estudiar la complejidad, es imprescindible disponer de herramientas adecuadas, tarea para la cual la Fotónica es ideal, dado su carácter no invasivo y que no deja ni rastro ni residuos. La Comisión Europea hace tiempo que ha determinado que la Fotónica ocupe ahora el lugar esencial que en su día ocupó la Electrónica.

Un centro como IQS no puedue dejar pasar la oprotuniodad de mantener el liderazgo en Fotónica Molecular. Fue pionero con el profesor Dr. Juan Julio Bonet, utilizándola en síntesis orgánica, tarea seguida por la Dra. Carme Brosa hasta su jubilación. Nuestro grupo incorporó las técnicas láser para realizar estudios mecanísticos con alta resolución temporal y estudió las aplicaciones en fotobiología y fotomedicina. Ahora, abrimos una tercera etapa con Roger, con la incorporación de técnicas de microscopia e imagen  que nos deben permitir comprender, a nivel molecular, la complejidad y las interacciones en sistemas microheterogéneos.

La gran experiencia de IQS en química, nanociencia, biociencia, materiales, bioingeniería, ingeniería biomédica, etc. se verá ahora potenciada con la incorporación de Roger, dado el carácter transversal de la fotónica molecular. La historia de la cinecia nos enseña que el desarrollo de nuevas técnicas instrumentales moleculares – rol tradicional de la Química Física –, es una fuente de oportunidades para generar nuevos conocimientos.

“Toda la experiencia de IQS en diversas áreas del conocimiento se verá ahora potenciada con la incorporación de Roger, dado el carácter transversal de la fotónica molecular”

Roger B. Aspiramos a desarrollar nueva tecnología, es lo que he aprendido trabajando con el grupo de Bélgica. Esta es la idea al desarrollar por primera vez el microscopio que comentaba antes para detección del oxígeno singlete en medios relevantes en  el campo biológico.

Santi N. Queremos desarrollar técnicas de imagen sofisticadas que ayuden, por ejemplo, a los cirujanos a identificar mejor los márgenes de un tumor y, por tanto, eliminarlo con más seguridad. Estamos colaborando con diversos hospitales para tratmeintos de cáncer de mama y de tumores cerebrales.

¿Qué aporta un postdoc a un grupo de investigación que esencialmente cuenta con doctorandos y profesores?

Santi N. Nuestro foco en IQS está en la formación de personas competentes y con valores. Tradicionalmente, la investigación en IQS se ha basado en doctorandos, pero la globalización de la investigación y el aumento de su complejidad ha llevado a la necesidad de incorporar la figura del investigador postdoctoral.

Roger B. En el caso del grupo del Dr. Hofkens, había más postdocs que doctorandos. Los postdocs hacemos de alguna forma de nexo de unión con los doctorandos y ayudamos allá donde el profesor titular no puede llegar.

Santi N. Y creo que el objetivo esencial de IQS debe seguir siendo formar personas. La incorporación de postdocs es necesaria, porque contribuyen aún más a esta tarea formativa, a la vez que garantizan resultados de investigación de primera división.

Quisiera añadir finalmente que es esencial que los postdocs sean internacionales. Cada grupo de investigación debe ser como ‘una antena que amplifique’, y debe disponer de investigadores jóvenes que puedan aportar las cosas interesantes que se están desarrollando, trabajando más allá de nuestras fronteras, con buenas ideas sobre todo aquello que sea emergente, y así elevar el nivel tecnológico y científico de nuestro centro.