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Hitos más destacados en el ámbito de las
Ciencias de la Vida y de la Materia
Resumen año 2022
Primer trasplante de corazón de cerdo a humano
EL 7 de enero de 2022 se llevó a cabo una primicia científica, cuando el equipo dirigido por los doctores Bartley Griffith y Muhammad Mohiuddin en el Centro Médico de la Universidad de Maryland realizó el primer trasplante de un corazón de cerdo a un humano.
El paciente que vivía en el hospital, conectado a una asistencia pulmón-corazón (ECMO) con muy mala calidad de vida, no tenía ninguna otra alternativa futura y no podía recibir un trasplante cardíaco convencional.
Tras recibir el corazón porcino pudo ser rápidamente liberado de dicha máquina, recibir visitas y moverse por el hospital. El paciente sobrevivió hasta marzo y falleció en el día + 60 tras el trasplante. El injerto funcionó muy bien sin aparente rechazo.
Griffith BP, Goerlich CE, Singh AK, Rothblatt M, Lau CL, Shah A, Lorber M, Grazioli A,Saharia KK, Hong SN, et al.: Genetically Modified Porcine-to-Human Cardiac Xenotransplantation. N Engl J Med 2022, 387:35-44.
Los órganos humanos disponibles para trasplantes son extraordinariamente escasos y este logro se ha conseguido mediante la manipulación genética en el animal donante para lograr que el corazón animal no promueva un rápido rechazo por parte de los tejidos humanos. Las manipulaciones genéticas en el cerdo son de dos tipos, las que inactivan genes porcinos y las que introducen genes humanos en el animal. Un ejemplo de lo primero es el carbohidrato galactosa (galactosa-alfa 1,3, galactosa (“Alpha gel”) un azúcar que forma parte de muchas moléculas de la mayoría de los mamíferos pero no de los humanos. Los humanos tienen, por exposición frecuente a este carbohidrato, anticuerpos anti “Alpha-gel” que ante la exposición parenteral al carbohidrato montan una respuesta inmune violenta y potente de rechazo. Cuando un órgano porcino se perfunde con sangre humana, la unión de antígeno Alpha-gel con anticuerpos humanos produce una activación de la cascada del complemento y un cuadro de trombosis en el órgano. Los autores en este caso inactivaron en el cerdo el gen GGTA1 que codifica el enzima que sintetiza el Alpha-gel. Lo mismo hicieron con otros genes porcinos.
Al mismo tiempo, se introdujeron en el genoma del cerdo 6 genes humanos que codificaban proteínas inhibitorias.
Dos nuevos medicamentos frenan la progresión de la Covid
Los autores de este trabajo dan a conocer los resultados de un ensayo doble ciego, aleatorizado y controlado de fase 2-3 en el que adultos sintomáticos, no vacunados y no hospitalizados, con alto riesgo de progresión a enfermedad grave por COVID-19 fueron asignados a recibir en una proporción 1:1, 300 mg de Nirmatrelvir más 100 mg de Ritonavir (un potenciador farmacocinético) o placebo cada 12 horas durante 5 días. Se evaluó la eficacia de este nuevo tratamiento en evitar la necesidad de hospitalización relacionada con COVID-19 o la muerte por cualquier causa hasta el día 28 y se evaluó también el impacto en la carga viral y la seguridad para los pacientes de este medicamento.
Un total de 1.120 enfermos recibieron el nuevo medicamento mientras que 1.126 recibieron placebo. La incidencia de hospitalización o muerte relacionada con COVID-19 en el día 28 fue inferior en el grupo de Nirmatrelvir que en el grupo de placebo.
Las 13 muertes ocurridas se produjeron en el grupo placebo y la carga viral fue inferior en los enfermos que recibieron Nirmatrelvir más Ritonavir que en los que recibieron placebo.
La incidencia de acontecimientos adversos que aparecieron durante el periodo de tratamiento fue similar en los dos grupos.
Hammond J, Leister-Tebbe H, Gardner A, Abreu P, Bao W, Wisemandle W, Baniecki M, Hendrick VM, Damle B, Simón-Campos A, et al.: Oral Nirmatrelvir for High-Risk, Nonhospitalized Adults with Covid-19. N Engl J Med 2022, 386:1397-1408.
Un nuevo antiviral combinado con un inhibidor de proteasa, ya utilizado para el tratamiento de pacientes con VIH, ha demostrado su eficacia en un ensayo clínico en fase 2-3 en disminuir en un 89% el riesgo de progresión de un cuadro de COVID-19 a una forma grave y que requiera ingreso hospitalario.
La muerte en pacientes por COVID-19 se produce en pacientes cuya enfermedad progresa hasta causar una infección pulmonar extensa como consecuencia de la potente reacción inflamatoria desencadenada por el virus.
Los tratamientos más eficaces, hasta ahora, han sido los dirigidos al control de la inflamación, generalmente aplicados cuando la enfermedad ya ha progresado.
Los tratamientos de aplicación precoz y acción anti-viral han sido escasos y poco efectivos hasta el momento.
La introducción de Nirmatrelvir/Ritonavir, aplicado precozmente a pacientes con COVID-19 y factores de riesgo de mala evolución, puede salvar muchas vidas, particularmente en pacientes que no hayan recibido o no hayan podido recibir las correspondientes vacunas.
TIRZETAPIDA: El nuevo fármaco contra la obesidad.
La Revista The New England Journal of Medicine publica los resultados de un ensayo clínico en fase 3, doble ciego, aleatorizado y controlado en que se asignó a 2.539 adultos con un índice de masa corporal (IMC; peso en kilogramos dividido por el cuadrado de la altura en metros) a recibir Tirzepatida subcutánea una vez a la semana (5 mg, 10 mg o 15 mg) o placebo durante 72 semanas.
El principal indicador del estudio fue el cambio porcentual de peso con respecto al valor basal y una reducción de peso igual o superior al 5%.
Al inicio del estudio, el peso corporal medio de los enfermos era de 104,8 kg, el Índice de Masa Corporal (IMC) medio era de 38,0 y el 94,5% de los participantes tenía un IMC de 30 o superior. El cambio porcentual medio en el peso en la semana 72 fue de -15,0% con dosis semanales de 5 mg de Tirzepatida, -19,5% con dosis de 10 mg, y -20,9% con dosis de 15 mg y -3,1% con placebo (p<0,001 para todas las comparaciones con placebo).
Se observaron mejoras en todas las medidas cardiometabólicas preespecificadas con Tirzepatida. Los acontecimientos adversos más frecuentes con Tirzepatida fueron gastrointestinales, y la mayoría fueron de gravedad leve a moderada.
Ref.: Jastreboff AM, Aronne LJ, Ahmad NN, Wharton S, Connery L, Alves B, Kiyosue A, Zhang S, Liu B, Bunck MC, et al.: Tirzepatide Once Weekly for the Treatment of Obesity. N Engl J Med 2022, 387:205-216.
Este es uno de los estudios más sólidos de reducción de peso mediante la aplicación de un fármaco. Abre la esperanza para millones de pacientes obesos en el mundo.
La Vacuna frente al VRS para adultos llega a su fase final
Un artículo publicado en 2022, relata los resultados de un ensayo clínico en fase 2 de una vacuna frente a Virus Respiratorio Sincitial (VRS) en adultos.
En el ensayo se asignó a los participantes de entre 18 y 50 años de edad a recibir, vacuna o placebo, en la proporción 1:1. La vacuna se administraba por vía IM en dosis única (Vacuna bivalente prefusión F -9, RSVpreF).
Aproximadamente 28 días después de la inyección se inoculó a los participantes por vía intranasal el VRS cepa A Memphis 37b y se midió el desarrollo de síntomas o la presencia de un test de PCR positiva para dicho virus. La vacuna mostró una eficacia clara mostrando una protección del 86,7% para la infección sintomática por VRS confirmada por cualquier ARN viral detectable en al menos 2 días consecutivos.
La tolerancia de la vacuna no planteó problemas y, por tanto, es preciso un estudio en fase 3 para confirmar su eficacia e introducirla en el mercado.
Schmoele-Thoma B, Zareba AM, Jiang Q, Maddur MS, Danaf R, Mann A, Eze K, Fok-Seang J, Kabir G, Catchpole A, et al.: Vaccine Efficacy in Adults in a Respiratory Syncytial Virus Challenge Study. N Engl J Med 2022, 386:2377-2386.
El Virus Respiratorio Sincitial (VRS) es una causa frecuente de infección bien conocida en niños y en adultos inmunodeprimidos. Hasta hace poco tiempo no se había llegado a conocer la verdadera dimensión de la infección por VRS en adultos normales. En la actualidad sabemos que puede ser una causa casi tan frecuente de ingreso hospitalario como la gripe, durante determinados periodos del año, y que la mortalidad por VRS entre los que precisan ingreso es muy elevada.
Este estudio abre la puerta a ensayos clínicos en fase 3 que son necesarios antes de la introducción de esta nueva vacuna en el arsenal profiláctico.
Microalgas modificadas con nanopartículas ayudan a combatir la neumonía en animales
El desarrollo de nuevos diseños de microrobots basados en materiales biocompatibles y deformables ofrece nuevas posibilidades en la preparación de plataformas para el suministro controlado de fármacos y, en general, para aplicaciones biomédicas. Sin embargo, la aplicación “en vivo” de estos microrobots y su propulsión requiere de “combustibles” naturales completamente inocuos, no siempre fáciles de establecer.
En el trabajo de Zhang y colaboradores han obtenido un microrobot bio-híbrido formado por microalgas chlamydomonas reinhard modificadas con nanopartículas poliméricas, conteniendo antibióticos, recubiertas con membranas neutrófilas.
El sistema es biocompatible y la autopropulsión se consigue mediante los flagelos de las algas. Estos microrobots se mueven a velocidades mayores de 110 µm. seg-1 en fluidos pulmonares simulados y se consiguen distribuciones uniformes en tejidos profundos de los pulmones, con elevados tiempos de retención en tejidos (mayor de 2 días). Han sido ensayados en animales infectados con neumonía asociada a ventilación mecánica (VAP), disminuyendo la mortalidad animal.
Zhang F, Zhuang J Z L, Gong H: Nanoparticle-modified microrobots for in vivo antibiotic delivery to treat acute bacterial pneumonia. Nature Materials 2022, 21:132.
La Neumonía bacteriana es uno de los riesgos más importantes de los pacientes sometidos a ventilación mecánica, durante su estancia en unidades de cuidados intensivos. Tiene una elevada mortalidad y parte de la misma se debe a problemas con la administración de los antibióticos. Tanto la administración retrasada como la inadecuada distribución de antibióticos en el tejido pulmonar son factores que influyen en el pronóstico de este proceso. De ahí la importancia del trabajo de referencia.
Nuevo record de eficiencia en células solares
En estos momentos alrededor del 80 % del mercado de células fotovoltaicas está dominado por las células de silicio, gracias a su relativamente bajo coste de producción y estabilidad. Sin embargo, su eficiencia está fundamentalmente limitada a valores del 29,4 % de conversión de la radiación solar incidente en energía eléctrica.
En la actualidad se está realizando un esfuerzo investigador en células solares en tándem de perovskita/silicio y se reportan valores certificados de 29.3% de eficiencia para un monolito perovskita/silicio célula solar en tándem de aproximadamente 1 cm² (Jian Liu et al, Science). Esta célula solar retiene un 95 % de su comportamiento inicial después de su damp-heat (calor húmedo, 85°C a 85% de humedad relativa) durante más de 1.000 horas.
Liu J, Bastiani M, Aydin E, Harrison G, Gao Y, Pradhan R, et al: Efficient and stable perovskite-silicon tandem solar cells through contact displacement by MgF x. Science 2022, Disponible en: https://doi.org/10.1126/ science.abn8910.
Este valor ha sido superado por investigadores del Helmholtz Zentrum Berlin (HZB) (https://www.helmholtz-berlin.de/pubin/news, Steve Albrecht), con una nueva célula solar en tándem que convierte 32,5 % de la radiación solar incidente en energía eléctrica pasando desde el 29,3% antes descrito y el 31,3% conseguido por la Ecole-Polytechnique a un 32,5 % de eficiencia.
Los investigadores han desarrollado una modificación en la interfase perovskita- silicio para reducir las pérdidas por recombinación de cargas.
Duan L, Walter D, Chang N, Bullock J: Stability challenges for the commercialization of perovskite–silicon tandem solar cells. Nature Reviews Materials. 2022, DOI:10.1038/s41578-022-00521-1.
Teniendo en cuenta la facilidad de fabricación y potencial eficiencia, las células solares en tándem que conllevan celdas inferiores de silicio con celdas superiores de perovskita de banda prohibida ancha, son muy prometedoras, sin embargo, existen problemas en la estabilidad de perovskita todavía no resueltos.
Recarga rápida de baterías de alta densidad
Chao-Yan Wan y colaboradores han descrito cómo cargar baterías de alta densidad de energía combinando un material no asociado con un producto comercial en 11 minutos.
Su aproximación se ha basado en una modulación asimétrica de temperatura con un electrólito de sal dual térmicamente estable.
La carga conseguida en una batería de 265 whkg-1 Al 70 % de carga en 11 minutos permitiría al vehículo recorrer del orden de 700.000 km realizando unos 2000 ciclos de carga.
Wang CY, Liu T, Yang XG, Ge S, Stanley NV, Rountree ES, al. e: Fast charging of energy-dense lithium-ion batteries. Nature 2022, 611:485–490.
El diseño y manufactura de baterías con alta densidad de energía y recarga rápida es un objetivo clave para el desarrollo de los vehículos eléctricos.
Las baterías de recarga rápida tendrían un gran impacto inmediato. Así, una batería de 120 kWh que necesita una hora de recarga, podría ser reemplazada por otra de 60 kWh recargable en 10 minutos.
El Telescopio James Webb ofrece la visión más profunda del Universo
El telescopio espacial James Webb (JWST) es el proyecto prioritario de la NASA para la exploración del Universo (origen, composición, evolución), cuyo desarrollo se ha llevado a cabo en colaboración con las agencias espaciales europea (ESA) y canadiense (CSA).
El JWST representa una versión muy mejorada del icónico telescopio Hubble gracias a su mayor espejo primario, formado por 18 espejos hexagonales fabricados con láminas de berilio plateado que conforman un espejo primario de 6,5 m de diámetro. Su delicado escudo solar (300 m2), fabricado con cinco capas de Kapton, permite mantener el instrumento por debajo de 50 K, y tiene capacidad para analizar luz infrarroja con un sofisticado conjunto de cuatro instrumentos científicos operando a 34 K.
Por todo ello, el telescopio JWST podrá estudiar objetos, regiones y épocas en la historia del Universo hasta ahora inexploradas, y así hacer aportaciones fundamentales en muchos campos de la Astronomía, en especial en Astronomía infrarroja ya que, a diferencia del telescopio Hubble que observaba en el rango del ultravioleta cercano, el visible y el infrarrojo cercano (0,1─1,7 μm), observará en el rango visible y el medio infrarrojo (0,6─28,3 μm).
En particular se podrá observar cómo era el Universo cuando solo tenía 180 millones de años y se podrá medir con una precisión del 1% la velocidad de expansión del Universo. También proporcionará información para resolver la tensión entre la medida de esta velocidad de expansión, en la actualidad y en épocas temporales muy lejanas, cuantificadas por la constante de Hubble─Lemaitre y puede que ayude a descifrar la naturaleza de la energía oscura. Las medidas del telescopio JWST contribuirán a establecer un mapa más preciso de la distribución de materia oscura en el Universo, información que tal vez pueda aclarar la naturaleza de esta, en particular si es “caliente”, en contradicción con el actual modelo cosmológico Λ─CDM (Lambda Cold Dark Matter) o está hecha de agujeros negros primordiales.
Cooper K: James Webb Space Telescope's 1st year in space has blown astronomers away. December 23, 2022 2022, Disponible en https://www.space.com/james-webb-space-telescope-first-year-in-space.
El telescopio JWST fue lanzado el 25 de diciembre de 2021 a bordo de un cohete Ariadne 5 y colocado en el punto de Lagrange Tierra─Sol L2 a 1,5 millones de km de la Tierra. Esta disposición espacial permite, con ayuda del escudo solar, mantener el telescopio a una temperatura constante inferior a 50 K. JWST empezó sus operaciones científicas en el verano de 2022.
El telescopio JWST pesa 6,2 toneladas, ha necesitado 25 años de I+D y ha costado 10 mil millones de dólares.
Es importante señalar la relevante contribución de la comunidad científica española a esta fascinante aventura del conocimiento. Investigadores del Centro Nacional de Astrobiología (CAB) han tenido notable participación en el desarrollo de este ambicioso proyecto. Tanto en actividades previas al lanzamiento (caracterización en órbita), como en el diseño, construcción, calibración y comisionado de instrumentos. Investigadores del CAB lideran grupos de trabajo para estudiar la evolución de las galaxias y agujeros negros que se formaron en el Universo primigenio y analizar el comportamiento del gas y el polvo en las proximidades de agujeros negros supermasivos activos.
El 21 de febrero de 2023 se celebró en la Fundación Ramón Areces la conferencia “Adentrándonos en el Universo infrarrojo con el telescopio espacial James Webb”, impartido por la Profesora Almudena Alonso Herrero (Centro de Astro Biología).
Científicos de EE.UU. logran un hito histórico en la fusión nuclear
A principios de diciembre de 2022 el Departamento de Energía de los Estados Unidos anunció resultados espectaculares en el campo de la fusión termonuclear, obtenidos en un experimento llevado a cabo en el LLNL.
La instalación NIF (Instalación Nacional de Ignición), basado en tecnologías láser, ha conseguido obtener la ignición, esto es, la creación de una cantidad de energía mayor que la utilizada para la operación del complejo sistema experimental. La construcción de la infraestructura NIF, iniciada en 2003, ha costado unos 3.500 millones de dólares.
Básicamente, el proceso consiste en estrujar una pequeña cantidad de combustible de fusión para alcanzar la presión y temperaturas necesarias hasta conseguir reacciones de fusión. El objetivo es alcanzar en el centro del blanco (combustible) una presión equivalente a 300 mil millones de atmósferas y decenas de millones de grados.
Uno de los elementos más importantes del dispositivo NIF es una capsula esférica sub-milimétrica en cuyo interior se encuentra el combustible de fusión (una mezcla de algunos miligramos de deuterio y tritio) cuya superficie exterior es una finísima lámina de diamante. La cápsula está suspendida en el interior de una cavidad cilíndrica, denominada hohlraum, de 11,2 mm de altura y 6,4 mm de diámetro. La cámara blanco que alberga la cavidad hohlraum es una esfera de 10 metros de diámetro que pesa 130 toneladas.
Otro de los elementos esenciales de NIF es el sistema formado por 192 láseres de vidrio de fosfato dopado con neodimio, el más potente construido hasta la fecha. Está instalado en un espacioso hangar de aproximadamente 21.500 m2. La trayectoria que recorre el rayo láser de un extremo a otro es de unos 1.500 metros. La misión del sistema de láseres es calentar la capa exterior de la pequeña esfera convirtiendo el combustible en un plasma que explota hacia fuera de la superficie exterior de la esfera. Este sistema reduce la energía inicial de los haces, del orden de 3 MJ, que convergen en la capsula combustible, a 2,05 MJ.
La instalación NIF consiguió el 5 de diciembre que un disparo que focalizaba 2,05 MJ en la esfera combustible en un intervalo de tiempo de ≈ 0,5 nanosegundos, generase una explosión produciendo 3,05 MJ de energía, superando así el tan ansiado hito de la fusión.
La ganancia energética Q obtenida en el proceso de ignición es del orden de 1,5.
Tollefson J, Gibney E: Nuclear-Fusion Lab Achives “ignition”: what does it mean? Nature 2022, 612:597.
Kramer D: National Ignition Facility surpasses long-awaited fusion milestone. Physics Today 2022, DOI:10.1063/PT.6.2.20221213a/full/, 13 Dec 2022 in Politics & Policy
Es importante señalar que en la actualidad este sistema de láseres solo permite realizar del orden de un disparo al día cuando el objetivo de una planta industrial sería producir un disparo cada 10 segundos. Sería necesario disponer diariamente de un millón de cápsulas, que habría que fabricar, llenar de combustible, posicionar en el interior del hohlraum, hacerlas estallar y limpiar los residuos en un entorno instrumental extremadamente complejo y delicado; sin olvidar que la fabricación de una cápsula cuesta ahora unos 100.000 dólares.
Aun reconociendo la importancia del hito científico logrado en el LLNL conviene ser prudentes. La industrialización de una fuente de energía por confinamiento inercial no será, en el mejor de los casos, una realidad hasta la segunda mitad del siglo XXI. Un calendario no muy diferente puede aplicarse a la fusión por confinamiento magnético. Está previsto que habrá que esperar del orden de 10-15 años para conseguir por primera vez ignición en el combustible nuclear en ITER, International Termonuclear Experimental Reactor (Reactor Experimental Termonuclear Internacional).
El 28 de febrero de 2023 se celebró en la Fundación Ramón Areces la sesión científica “Actualidad y relevancia de la fusión termonuclear como futura fuente de energía limpia”, con la participación de los Profesores Manuel Lozano (Universidad de Sevilla), Carlos Hidalgo (CIEMAT), José Manuel Perlado (Universidad Politécnica de Madrid) y Joaquín Sánchez (CIEMAT).
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