nanomedicina El avance de la nanotecnología en la medicina
Javier Concejo Arias
Silvia González Rodríguez
Lucia García Suárez
INDICE
Introducción
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Definiciones
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Nanotecnología Nanociencia Nanomedicina
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Evolución Histórica
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Aplicaciones Médicas
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Diagnostico Biochips Nanochips Monitorización
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Tratamientos y Terapias Cáncer Diabetes Sustitución y regeneración de órganos Nanotubos. Transporte de genes
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Proyectos en Desarrollo
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Liberación y transporte de fármacos Nanorobots Nanocadenas Riñones sustitutivos Nanoimanes. Nanotecnología para descubrir bacterias
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Riesgos y Peligros de la Nanotecnología
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Observaciones Finales
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Bibliografía
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INTRODUCCIÓN
La palabra "nanotecnología" engloba las ciencias y técnicas que se aplican a un nivel de nanoescala, es decir, unas medidas extremadamente pequeñas, "nanos", que permiten trabajar y manipular las estructuras moleculares y sus átomos. En síntesis nos llevaría a la posibilidad de fabricar materiales y máquinas a partir del reordenamiento de átomos y moléculas. Esto supone un gran avance en cuanto a investigación y aplicaciones actuales, con lo que no resulta tan raro escuchar palabras como “nanociencia” y “nanomedicina”, con todas las posibilidades que conlleva el descubrimiento y manipulación de un gran universo apenas conocido: microscópico.
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el
DEFINICIONES
Nanotecnología
La nanotecnología es el estudio, diseño, creación, síntesis, manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales a través del control de la materia a nano escala, y la explotación de fenómenos y propiedades de la materia a nano escala. Cuando se manipula la materia a la escala tan minúscula de átomos y moléculas, demuestra fenómenos y propiedades totalmente nuevas. Por lo tanto, científicos utilizan la nanotecnología para crear materiales, aparatos y sistemas novedosos y poco costosos con propiedades únicas. Nos interesa, más que su concepto, lo que representa dentro del conjunto de investigaciones y aplicaciones actuales cuyo propósito es crear nuevas estructuras y productos que tendrían un gran impacto en la industria, la medicina (nanomedicina), etcétera. Estas nuevas estructuras con precisión atómica, tales como nanotubos de carbón, o pequeños instrumentos para el interior del cuerpo humano, pueden introducirnos en una nueva era. Los avances nanotecnológicos protagonizarían de esta forma la sociedad del conocimiento con multitud de desarrollos con una gran repercusión en su instrumentación empresarial y social.
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Nanociencia
Es la construcción de nanomáquinas hechas de átomos y que son capaces de construir ellas mismas otros componentes moleculares. La nanociencia está unida en gran medida desde la década de los 80 con Drexler y sus aportaciones a la "nanotecnología molecular". Desde se considera a Eric Drexler como uno de los mayores visionarios sobre este tema. El padre de la "nanociencia", es considerado Richard Feynman, premio Nóbel de Física, quién en 1959 propuso fabricar productos en base a un reordenamiento de átomos y moléculas. En 1959, el gran físico escribió un artículo que analizaba cómo los ordenadores trabajando con átomos individuales podrían consumir poquísima energía y conseguir velocidades asombrosas. Supondrá numerosos avances para muchas industrias y nuevos materiales con propiedades extraordinarias, como por ejemplo: desarrollar materiales más fuertes que el acero pero con solamente diez por ciento el peso), nuevas aplicaciones informáticas con componentes increíblemente más rápidos o sensores moleculares capaces de detectar y destruir células cancerígenas en las partes más delicadas del cuerpo humano como el cerebro, entre otras muchas aplicaciones. Podemos decir que muchos progresos de la nanociencia estarán entre los grandes avances tecnológicos que cambiarán el mundo.
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Nanomedicina
Se trata de una de las vertientes más prometedoras dentro de los potenciales nuevos avances tecnológicos en la medicina. Podríamos aventurar una definición situándola como rama de la nanotecnología que permitiría la posibilidad de curar enfermedades desde dentro del cuerpo y al nivel celular o molecular. Se considera que determinados campos pueden ser objeto de una autentica revolución, especialmente: monitorización, reparación de tejidos, control de la evolución de las enfermedades, defensa y mejora de los sistema biológicos humanos, diagnóstico, tratamiento y prevención, alivio del dolor, prevención de la salud, administración de medicamentos a las células, etc. Todos ellos constituirían nuevos avances tecnológicos en la medicina
que
la
posicionarían
en
una
nueva
era
científica
y
asistencial.
Dentro de los avances científicos más significativos se encuentran biosensores, nuevas formas de administrar medicamentos más directas y eficaces y el desarrollo de nuevos materiales para injertos, entre otras.
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EVOLUCIÓN HISTÓRICA
El ganador del premio Nobel de Física (1965), Richard Feynman fue el primero en hacer referencia a las posibilidades de la nanociencia y la nanotecnología en el célebre discurso que dio en el Caltech (Instituto Tecnológico de California) el 29 de diciembre de 1959 titulado Abajo hay espacio de sobra (There's Plenty of Room at the Bottom). Otro hombre de esta área fue Eric Drexler quien predijo que la nanotecnología podría usarse para solucionar muchos de los problemas de la humanidad, pero también podría generar armas poderosísimas. Creador del Foresight Institute y autor de libros como Máquinas de la Creación (Engines of Creation) muchas de sus predicciones iniciales no se cumplieron, y sus ideas parecen exageradas en la opinión de otros expertos, como Richard Smalley.
Los años 40
1959
1966
1985 1989 1996 1997 1998 2001
Von Neuman estudia la posibilidad de crear sistemas que se auto‐reproducen como una forma de reducir costes. Richard Feynmann habla por primera vez en una conferencia sobre el futuro de la investigación científica: "A mi modo de ver, los principios de la Física no se pronuncian en contra de la posibilidad de maniobrar las cosas átomo por átomo". Se realiza la película "Viaje alucinante" que cuenta la travesía de unos científicos a través del cuerpo humano. Los científicos reducen su tamaño al de una partícula y se introducen en el interior del cuerpo de un investigador para destrozar el tumor que le está matando. Por primera ve en la historia, se considera esto como una verdadera posibilidad científica. La película es un gran éxito. Se descubren los buckminsterfullerenes (o nanopartículas). Se realiza la película "Cariño he encogido a los niños", una película que cuenta la historia de un científico que inventa una máquina que puede reducir el tamaño de las cosas utilizando láser. Sir Harry Kroto gana el Premio Nobel por haber descubierto fullerenes Se fabrica la guitarra más pequeña el mundo. Tiene el tamaño aproximadamente de una célula roja de sangre. Se logra convertir a un nanotubo de carbón en un nanolápiz que se puede utilizar para escribir James Gimzewski entra en el libro de récords Guinness por haber inventado la calculadora más pequeña del mundo.
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Pero estos conocimientos fueron más allá ya que con esto se pudo modificar la estructura de las moléculas como es el caso de los polímeros o plásticos que hoy en día los encontramos en todos nuestros hogares. Pero hay que decir que este tipo de moléculas se les puede considerar “grandes”... Con todos estos avances el hombre tuvo una gran fascinación por seguir investigando más acerca de estas moléculas, ya no en el ámbito de materiales inertes, sino en la búsqueda de moléculas orgánicas que se encontrarán en nuestro organismo. No fue sino hasta principios de la década de los cincuenta cuando Rosalind Franklin, James Dewey Watson y Francis Crick propusieron que el ADN era la molécula principal que jugaba un papel clave en la regulación de todos los procesos del organismo y de aquí se tomó la importancia de las moléculas como determinantes en los procesos de la vida. Hoy en día en medicina se le da más interés a la investigación del mundo microscópico ya que en éste se encuentran posiblemente las alteraciones estructurales que provocan la enfermedad.
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APLICACIONES MÉDICAS Las aplicaciones médicas de las tecnologías nanoescalares tienen el potencial de revolucionar el cuidado de la salud al brindar poderosas herramientas para diagnosticar y tratar las enfermedades desde un nivel molecular.
DIAGNÓSTICO El objetivo general del nanodiagnóstico es la identificación de enfermedades en sus estadios iniciales, cuando el desarrollo es muy limitado, mediante la utilización de nanodispositivos o directamente de nanopartículas. Se pretende así obtener una capacidad de respuesta más rápida que permita aplicar el tratamiento adecuado a una enfermedad específica o reparar tejidos u órganos dañados, ofreciendo, por lo tanto, más posibilidades de recuperación. Estos métodos de diagnóstico se pueden utilizar in vivo o in vitro. El diagnóstico in vivo normalmente requiere que los dispositivos desarrollados puedan penetrar en el cuerpo humano para identificar y cuantificar (idealmente) la presencia de un determinado patógeno o de células cancerígenas, por ejemplo. Obviamente, esto comporta una serie de problemas asociados con la biocompatibilidad del propio material, pero además requiere un diseño realmente sofisticado para asegurar su eficacia y minimizar los posibles efectos secundarios. Por su parte, el diagnóstico in vitro ofrece una mayor flexibilidad de diseño, ya que normalmente se puede aplicar a pequeñas muestras de fluidos corporales o de tejidos, a partir de los cuales se puede llevar a cabo una detección específica (de patógenos o defectos genéticos, por ejemplo) en tiempos muy cortos, con gran precisión y sensibilidad. Debido a estas diferencias fundamentales, se prevé que la detección in vitro llegue al mercado de una forma mucho más rápida y se pueda consolidar más fácilmente que los métodos in vivo. El empleo de nanopartículas semiconductoras, metálicas y magnéticas como agentes de contraste para marcaje in vivo, y el diseño de biosensores basados en nanopartículas metálicas para aplicación in vitro son toda una revolución científica. Uno de los primeros sistemas de nanopartículas que se han propuesto para aplicaciones de marcaje celular e identificación de zonas dañadas o tumores son las nanopartículas de semiconductores, también conocidas como «puntos cuánticos» (quantum
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dots). Cuando el tamaño de estos semiconductores se reduce a unos pocos nanómetros (normalmente entre 1 y 10 nm), se produce una modificación de su estructura electrónica, de tal manera que se pierde la característica estructura de bandas y surgen niveles electrónicos discretos. Esta nueva estructura electrónica les confiere una respuesta óptica (fluorescencia, en particular) que varía con el tamaño. Por lo tanto, se pueden fabricar puntos cuánticos del mismo material que emiten luz en diferentes longitudes de onda (con distintos colores) dependiendo de su tamaño, por lo que son extremadamente útiles como marcadores biológicos. De entre la gran variedad de materiales que se han estudiado, los semiconductores más utilizados son los de CdSe y CdTe, ya que se pueden producir en grandes cantidades mediante procesos químicos, con un control exquisito del tamaño que permite obtener bandas de emisión estrechas e intensas en una amplia variedad de colores y con un tiempo de vida muy prolongado. Todas estas características, a las que se puede añadir que la excitación de puntos cuánticos de distintos tamaños, se pueden realizar con una única lámpara (permitiendo así efectuar marcajes múltiples de forma simultánea), han promovido su desarrollo como competencia a los marcadores moleculares habituales. Existen ya múltiples demostraciones de la utilidad de los puntos cuánticos para la localización de pequeños tumores, lo cual significa que se podría proceder a su extirpación inmediata.Sin embargo no es suficiente con obtener un material de alta luminiscencia y estabilidad, también debe llegar a su destino de forma selectiva e, idealmente, eliminarse del organismo una vez realizada su función para evitar efectos secundarios. Uno de los problemas por resolver es la captación de las nanopartículas por los macrófagos antes de alcanzar el órgano afectado. Para ello, es necesario colocar ciertas moléculas en la superficie de las partículas que actúen como una capa de invisibilidad y las escondan de los macrófagos, por ejemplo con polímeros como el polietilenglicol. Una vez resuelto este problema, es preciso indicarles cómo localizar el tumor, lo cual requiere colocar en la superficie del punto cuántico biomoléculas (biorreceptores) con afinidad selectiva hacia un compuesto específico de la zona a reconocer (p. ej., la célula cancerosa,). Así, hay ciertas proteínas o moléculas que se encuentran en mayor proporción en la membrana de las células cancerosas (como los receptores de ácido fólico o la hormona luteinizante) y que son características de cada tipo de cáncer. Cuando los puntos cuánticos con el biorreceptor se acercan a una muestra que contiene dicha proteína, se produce una reacción de reconocimiento biomolecular,de forma que se acumularán allí, permitiendo la detección mediante iluminación con luz ultravioleta y observando su emisión de fluorescencia característica. . 10 .
Biochips El biochip y las nuevas tecnologías de la biomedicina empiezan a sustituir los diagnósticos basados en pruebas descriptivas, como los recuentos sanguíneos, la comprobación de temperatura corporal y el examen de los síntomas. Con el biochip es posible conseguir en poco tiempo abundante información genética ‐tanto del individuo como del agente patógeno‐, que permitirá elaborar vacunas, medir las resistencias de las cepas de la tuberculosis a los antibióticos o identificar las mutaciones que experimentan algunos genes y que desempeñan un papel destacado en ciertas enfermedades tumorales, como el gen p53 en los cánceres de colon y de mama. En la actualidad, en Estados Unidos existen portadores del VIH, causante del SIDA, que reciben una combinación de fármacos basada en un análisis previo del genotipo del virus. El objetivo que se pretende con estos pequeños artilugios es desarrollar técnicas que permitan detectar
cualquier
enfermedad
a
partir
de
una
simple
gota
de
sangre.
Así, en pocos años, con el avance de estos biochips se podrá calcular el riesgo de padecer enfermedades coronarias a los 55 años o Alzheimer a los 75. El funcionamiento de estos dispositivos es sencillo. Un chip de ADN, también llamado array, consta de una lámina delgada en cuya superficie se hacen orificios diminutos que se colocan de forma ordenada. Los agujeros se rellenan con fragmentos de ADN (oligonucleóticos), cuya secuencia se conoce de antemano. El material genético se marca con reactivos fluorescentes o con sustancias que permitan una lectura con láser. La reacción de la molécula control con cada uno de los oligonucleótidos hace factible apreciar, gracias a la fluorescencia emitida, si alguna secuencia responde a alguna anomalía. La suma de las distintas interacciones entre la molécula y las secuencias se mide de forma simultánea. Con ello, un investigador, en vez de comprobar los cambios fisiólogos gen por gen, puede revisar en un momento un grupo entero de genes. Hoy en día, algunos especialistas ya prescinden de las pruebas citológicas y optan por el biochip para determinar el tipo y la fase en que se encuentra un tumor. La ventaja de este procedimiento es que se puede predecir la propensión de una persona a padecer un tumor y, en caso de que ya lo sufra, calibrar qué fármacos serán más eficaces. Si cada universidad y grupo de investigación estudia un gen o una proteína avanzaríamos muy lentamente. Ahora se dispone de un paradigma electrónico aplicable a la biología que ayuda a recoger información genética en muy poco tiempo. El biochip se revela como un instrumento . 11 .
excepcional para averiguar las mutaciones que experimenta el bacilo de la tuberculosis, así como para identificar cepas resistentes a la penicilina. El uso del biochip se puede extender a la agricultura, la biotecnología y otros ámbitos de conocimiento. Por ejemplo, se pueden evaluar las alteraciones genéticas que predisponen a una personas a caer en la drogadicción. Asimismo, es posible medir la oposición que plantea el organismo humano a fármacos destinados a combatir la leucemia y también con nuestra saliva y la información que se puede obtener de ésta un grupo de expertos de Estados Unidos han logrado desarrollar un nanochip, con el que a través de un poco de saliva y gracias a la información aportada por cuatro de las 32 proteínas que contiene que relacionan el riesgo de sufrir un ataque de corazón, se pude diagnosticar precozmente el riesgo de infarto. Se observó que realizando un electro, se diagnosticó solo un 67% de los infartos, mientras que si junto al electro se realizaba estaba la prueba con saliva, ese porcentaje aumento hasta el 97%.
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Nanochips o Nanohilos Se ha descubierto que se pueden configurar hilos ultrafinos de silicio como detectores ultrasensibles que se encienda o apaguen en presencia de un virus individual, en tiempo real y con una gran precisión. Las posibilidades de estos detectores, que pueden ser ordenados en matrices capaces de detectar literalmente miles de virus diferentes, nos introducirán en una nueva era en materia de diagnósticos, seguridad biológica y respuestas a brotes víricos. En el ambiente clínico, la extremada sensibilidad de los nanohilos permite detectar infecciones virales en sus primeros estadios, cuando el sistema inmunológico aún es incapaz de actuar. La detección consiste en unir nanohilos que transmitan una pequeña corriente con receptores de anticuerpos para ciertos dominios clave de virus. Cuando un virus individual hace contacto con un receptor, se produce un momentáneo y revelador cambio en la conductancia que da una clara indicación de su presencia. Mediciones simultáneas, eléctricas y ópticas (usando virus de influenza A marcados en forma fluorescente) confirman que los cambios en conductancia se corresponden con la unión y separación de virus individuales a los dispositivos. Se comprobó que los detectores podían distinguir virus, basándose tanto en el receptor específico utilizado, como también en que cada virus se une a su receptor por un lapso de duración característica antes de separarse. Esto hace minúsculo el riesgo de una lectura positiva falsa. La extremada sensibilidad de las matrices de nanohilos permite detectar infecciones virales en sus primeros estadios, cuando el sistema inmunológico aún es capaz de suprimir poblaciones virósicas. En este estadio de actividad viral comienzan a aparecer los síntomas, pero como la cantidad de virus aún es pequeña es difícil detectarlos y decidir un tratamiento.
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Monitorización Se trata de la captación de imágenes en el interior del cuerpo con finalidad médica. Es posible monitorizar mediante un simple escáner, y con todo detalle, la evolución de un tumor desde una etapa temprana y por tanto también los efectos inmediatos de la medicación para combatirlo. Recientemente, un equipo de investigadores estadounidenses han estado trabajando en perfeccionar el método para implantar en el organismo nanopartículas sensibles a la química originada por las células cancerosas y que, además, resulten fácilmente detectables mediante un escáner convencional de imágenes de resonancia magnética. Estos avances proporcionarán a los médicos una información casi inmediata, detallada y fiable sobre el interior de los tumores, sobre su evolución, su tamaño, y sobre cómo responden sus células a la medicación.
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T R A T A M I E N TO Y T E R A P I A Para el tratamiento de enfermedades, la nanotecnología también supone un avance tecnológico espectacular. Gracias a esta tecnología, algunas aplicaciones de tratamientos médicos están cambiando radicalmente. Principalmente destacan las aplicaciones en terapias médicas que citamos a continuación.
Tratamiento del cáncer Cuando una persona contrae cáncer, su cuerpo emite unas señales de aviso mucho antes de que la medicina actual sea capaz de detectar la enfermedad. Si se pudiese detectar antes estos cambios sutiles en las células humanas, habría mayores posibilidades de salvar al enfermo. Pero los primeros cambios a nivel molecular en una persona que está en las primeras fases de un cáncer son increíblemente complejos y pueden pasar desapercibidos. La nanotecnología ofrecer la solución a este problema molecular. Conjuntos de ultra pequeños cables de silicona, cada uno fabricado para detectar una proteína específica relacionada con el cáncer, puede detectar los cambios más sutiles en la química corporal del ser humano (nanohilos). Estos nanosensores pueden buscar cientos, o incluso miles, de distintas biomoléculas en solo una gota de sangre. El combate de la enfermedad a escala molecular permite detectar precozmente la enfermedad, identificar y atacar de forma más específica a las células cancerígenas. Las investigaciones actuales se centran en cómo utilizar la nanotecnología para cambiar de forma radical la capacidad de la medicina para diagnosticar, comprender y tratar el cáncer. Investigaciones ya realizadas han logrado desarrollar nano‐aparatos capaces de detectar un cáncer en la fase muy preliminar, localizarlo con extrema precisión, proporcionar tratamientos específicamente dirigidos a las células malignas y medir la eficacia de dichos tratamientos en la eliminación de las células malignas.
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Tratamiento de la diabetes En el tratamiento de esta enfermedad se ha descubierto que el método más seguro para la administración del gen de la insulina a pacientes diabéticos se lleva a cabo con el uso de nanopartículas. La diabetes de tipo 1 o juvenil tiene su origen en una destrucción autoinmune de las células beta (β‐células) del páncreas que producen la insulina. Como resultado de la pérdida de insulina, los niveles de azúcar en sangre se elevan demasiado, produciendo daños en los vasos sanguíneos finos y las terminaciones nerviosas que conducen a síntomas debilitantes. Como resultado, los pacientes dependen de inyecciones diarias de insulina para sobrevivir. Sin embargo, es prácticamente imposible hacer coincidir el contenido de azúcar de cada comida con la dosis adecuada de insulina y los errores acumulados reducen considerablemente tanto la calidad de vida como su duración. Recrear una secreción de insulina interna con la regulación adecuada en células portadoras (células no beta) de individuos con diabetes es un enfoque atractivo para curar esta enfermedad. El principal obstáculo de este enfoque ha sido replicar la secreción automática de insulina regulada según los requerimientos del cuerpo. Se desea desarrollar un enfoque que restaure la producción de insulina en respuesta a la comida en individuos con diabetes, eliminando la necesidad de las inyecciones de insulina y mejorando, al mismo tiempo, el control de los niveles de azúcar en sangre. Se pretende lograr induciendo a células
específicas
del
intestino
para
que
asuman
la
producción
de
insulina.
Se ha demostrado previamente que es posible inducir las células K del intestino con el gen de la insulina para producir esta sustancia en respuesta a la ingestión de alimentos, en un patrón comparable a la producción normal de insulina llevada a cabo por el páncreas. Para trasladar esta tecnología a un uso clínico, se desarrollo un novedoso método de administración del gen de la insulina a las células K del intestino utilizando nanopartículas. Estas nanopartículas contienen un componente llamado chitosán que protege al gen de la insulina mientras está en el intestino, así como a la integrasa para insertar el gen de la insulina en las células intestinales del paciente. a administración de genes por medio de estas nanopartículas es más segura y menos inmunógena que la mayoría de los agentes basados en virus utilizados habitualmente. . 16 .
Sustitución y regeneración de órganos La medicina regenerativa pretende ayudar al cuerpo a salvarse a sí mismo. El primer estadio ha sido la sustitución de órganos defectuosos, aparecidos en los años setenta, cuando aparecieron los primeros materiales implantables en el cuerpo humano. No obstante, sólo se trataba de “piezas de recambio” inertes y no biodegradables, que a menudo se habían desarrollado para otras aplicaciones. A mediados de la década de los ochenta nació la segunda generación de materiales a base de cerámicas y de vidrio, capaces de ser biodegradables (una vez reparada la lesión), o de estimular la actividad de autoregeneración: pero jamás las dos cosas a la vez. Hoy en día, se trata de combinar estas dos propiedades (biodegradabilidad y bioactividad) en una sola estructura. A escala nanométrica podemos pensar en combinaciones de cuerpos inertes y de moléculas biológicas hasta ahora inaccesibles para la química clásica. Una de las aplicaciones más importantes de la nanomedicina, aunque no está demasiado extendida por estar aún en fase de experimentación, es la reconstrucción y reestructuración de huesos y músculos. Esto se podrá llevar a cabo a través del empleo de nanorobots programados para identificar fisuras, reparándolas de dos maneras: ‐ Llevando a cabo un proceso de aceleración de la recuperación del hueso (o músculo) roto. ‐ Fundiéndose con el propio hueso (o músculo) roto.
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Transporte de genes mediante nanotubos Los nanotubos de carbón son estructuras diminutas con forma de aguja y fabricados con átomos de carbón. Son las fibras más fuertes que se conocen. Un solo nanotubo perfecto es de 10 a 100 veces más fuerte que el acero por peso de unidad y poseen propiedades eléctricas muy interesantes, conduciendo la corriente eléctrica cientos de veces más eficazmente que los tradicionales cables de cobre Se han empleado en investigaciones asociadas a terapias genéticas entre otras muchas como tratamientos contra el cáncer, dispensadores de medicamentos, etcétera.
Gracias a los últimos avances científicos se han logrado identificar muchos de los genes relacionados con ciertas enfermedades, y actualmente investigaciones utilizan estos nuevos conocimientos para desarrollar nuevos tratamientos. Se cree que se podría reemplazar genes defectuosos o ausentes a través de la implantación en células humanas desde el exterior del mismo tipo de gen. Este proceso no resulta sencillo porque, como el ADN no puede traspasar las membranas células, se requiere la ayuda de un transportador. Para ello se ha desarrollado un nuevo método para introducir el ADN en células de mamíferos a través de nanotubos de carbón modificados. . 18 .
Para utilizar nanotubos como transportadores de genes, era necesario modificarlos. Finalmente se logró enlazar al exterior de los nanotubos de carbón varias cadenas hechas de átomos de carbón y oxígeno cuyo lateral consiste en un grupo de aminos cargados positivamente (– NH3+). Esta pequeña alteración hace que los nanotubos sean solubles. Además, los grupos cargados positivamente atraen a los grupos de fosfatos cargados negativamente en el esqueleto del ADN. Al utilizar estas fuerzas electrostáticas atractivas, los científicos lograron fijar de forma sólida plásmidos al exterior de de los nanotubos. Luego contactaron los híbridos de nanotubo‐ADN con su cultivo celular de células de mamífero.
El resultado fue que los nanotubos de carbón, junto con su cargamento de ADN, entraron dentro de la célula. Los nanotubos no dañan a las células porque, a diferencia de los anteriores sistemas de transporte genético, no desestabilizan la membrana al penetrarla. Una vez dentro de la célula, los genes resultaron ser funcionales. Además, la circulación de los nanotubos por el flujo sanguíneo, no afecta a ningún órgano ni se almacena, ya que serán expulsados por la orina.
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PROYECTOS EN DESARROLLO Las aplicaciones médicas nanotecnológicas no terminan en las que hemos citado anteriormente. Esta nueva tecnología se halla en constante desarrollo y cada año salen nuevos avances y descubrimientos. Hasta ahora, los experimentos in vivo se han realizado con animales, pero se prevé que, una vez superados los controles de las agencias de salud, se pueda pasar próximamente a realizar estos ensayos en seres humanos. A continuación, mostramos algunos de los últimos avances:
Liberación y transporte de fármacos Aparte de estas sofisticadas técnicas de terapia, la nanomedicina se ha propuesto como una posible solución para el desarrollo de nuevos sistemas de liberación controlada de fármacos. La idea consiste en que las nanoestructuras transporten el fármaco hasta la zona dañada y, solamente cuando han reconocido esa zona, lo liberen como respuesta a un cierto estímulo. Por lo tanto, es necesario la encapsulación o desactivación de los fármacos para que no actúen durante su tránsito por el cuerpo hasta llegar al lugar afectado, de forma que mantengan intactas sus propiedades fisicoquímicas y que se minimicen posibles efectos secundarios en otras partes del cuerpo. Hay que recordar que los fármacos suelen ser sustancias altamente tóxicas, por lo que es necesario escoger las dosis con cuidado. Una vez que el fármaco ha llegado a su destino, debe liberarse a una velocidad apropiada para que sea efectivo, lo cual se puede hacer mediante una variación de ciertas condiciones (p. ej., pH o temperatura) en la zona dañada, o mediante un control preciso de la velocidad de degradación del material encapsulante, permitiendo una liberación más controlada del fármaco. Para la administración de fármacos se ha propuesto una gran variedad de nanoestructuras, como pueden ser nanopartículas, nanocápsulas, dendrímeros, liposomas, micelas, nanotubos, conjugados poliméricos, microgeles, etc. Un equipo de científicos ha desarrollado unas “naves de carga” de tamaño nanométrico capaces de navegar por el cuerpo a través del torrente sanguíneo sin ser detectados inmediatamente por el sistema inmunológico del cuerpo y transportar su carga de fármacos anticancerígenos y
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marcadores hasta tumores que, de lo contrario, podrían continuar sin tratar o incluso no ser detectados. El sistema de naves de carga nanométricas integra funciones terapéuticas y de diagnóstico en un solo dispositivo que evita la eliminación rápida por parte del sistema inmunológico natural del cuerpo. La idea consiste en encapsular fármacos y agentes de formación de imágenes en una “nave nodriza” protectora que elude los procesos naturales que habitualmente eliminarían estos cargamentos, si fuesen desprotegidos. Estas "naves nodrizas", de 50nm de diámetro, están equipadas con un conjunto de moléculas en su superficie que ayuda a dirigir la nave hacia las células tumorales del cuerpo y a penetrar en su interior. Podrían ser la clave para administrar de forma más eficaz, a los tumores, fármacos anticancerígenos tóxicos en altas concentraciones sin dañar otras partes del cuerpo. Los investigadores cargaron las naves con tres cargamentos antes de inyectarlas en ratones. Dos tipos de nanopartículas, óxido de hierro superparamagnético y puntos cuánticos fluorescentes, se colocaron en el almacén de carga de la nave, junto con el fármaco anticancerígeno doxorrubicina. Las nanopartículas de óxido de hierro permiten que las naves aparezcan en una resonancia magnética, mientras que los puntos cuánticos se pueden ver con un escáner de fluorescencia, que proporciona mayor resolución. Podemos imaginar a un cirujano identificando, con una resonancia magnética, la localización concreta de un tumor en el cuerpo antes de operar, y luego utilizar imágenes de fluorescencia para
encontrar
y
eliminar
todas
las
partes
del
tumor
durante
la
operación.
El equipo se sorprendió al descubrir en sus experimentos que una sola nave nodriza es capaz de transportar múltiples nanopartículas de óxido de hierro, incrementando su brillo en la imagen de la resonancia magnética y facilitando, así, la detección de tumores pequeños.
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Nanorobots Un equipo de científicos ya ha dado el primer paso adelante para que esta fantasía de ciencia ficción pueda convertirse en realidad: la creación de un artilugio compuesto de dos fragmentos manipulables de ADN que pueden realizar pequeños movimientos mecánicos. De momento, las órdenes que se les pueden dar a este primer nanorobot son relativamente sencillas. Lo único que han descubierto estos científicos, por el momento, es una técnica para manipular fragmentos de ADN de tal forma que realicen pequeños desplazamientos de entre 20 y 60 nanometros (milmillonésima parte de un metro). Sin embargo, este hallazgo sin duda representa un primer paso hacia la futura construcción de aparatos microscópicos compuestos de ADN sintético que podrán programarse para engendrar moléculas a la carta. La existencia de estos nanorobots podría suponer una auténtica revolución para el mundo de la medicina, ya que quizás permitirían la fabricación artificial de toda clase de moléculas útiles para el desarrollo de fármacos y terapias. Los autores del trabajo explican que uno de los objetivos fundamentales de la nanotecnología es la creación de «sistemas mecánicos sintéticos, moleculares y manipulables».
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Este primer nanorobot de ADN podría considerarse un prototipo para futuros aparatos más sofisticados. Los científicos han aprovechado ciertas características de la estructura de doble hélice del ADN para programar esta máquina molecular de tal forma que puede realizar pequeños cambios en su posición. El nanorobot creado por Seeman y sus colegas tiene dos brazos de ADN unidos por una puente que forma la llamada estructura Z o zurda de la doble hélice. Los científicos han logrado manipular el proceso de transición que convierte esta estructura Z o zurda en otra denominada B o diestra, de tal forma que el nanorobot realiza un pequeño desplazamiento. Este movimiento se ha podido verificar mediante la utilización de unos tintes fluorescentes que muestran el cambio de posición en los brazos del diminuto nanorobot. No cabe duda de que todavía tendrán que pasar muchos años antes de que este tipo de investigaciones desemboquen en la creación de máquinas genéticas capaces de producir toda clase de moléculas. No obstante, este primer nanorobot, por muy simples e insignificantes que parezcan sus movimientos mecánicos, ya demuestra hasta qué nivel de complejidad está llegando la ciencia en el campo de la tecnología. Un aparato de estas características ‐mitad biológico, mitad sintético‐ ha vuelto a demostrar una vez más que hoy día, la frontera entre lo vivo y lo artificial está cada vez menos clara.
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Nanocadenas para detectar enfermedades Un equipo de investigadores de la Universidad de Queensland ha concebido y desarrollado una nueva tecnología con aplicaciones clínicas y de investigación, incluida la detección temprana de enfermedades. Se han desarrollado unos “códigos de barras” fluorescentes llamados nanocadenas (nanostrings), que proporcionan más sensibilidad y precisión que los actuales métodos de detección. Las nanocadenas se enlazan a las moléculas de ARN para realizar un análisis digital de la expresión génica. Puesto que este sistema puede contabilizar el número exacto de biomoléculas presentes, podemos obtener a tiempo una imagen extremadamente precisa y sensible de la expresión génica en un punto concreto. Esta información cuantitativa es superior a otros sistemas de expresión génica como los microarrays, que dependen de la medida analógica de la fluorescencia
y,
por
tanto,
son
menos
precisos
y
tienen
un
rango
limitado.
La nanocadena es un importante desarrollo tecnológico tanto en entornos clínicos como de investigación. Podremos detectar con mayor precisión las moléculas asociadas a enfermedades concretas, y en el terreno de la investigación podremos identificar nuevas moléculas asociadas a enfermedades y seguir su rastro hasta los genes responsables. Se está trabajando ahora en el siguiente paso, que consistirá en el desarrollo de nuevos nanocódigos de barras que reducirán aún más el coste y la mejora en la sensibilidad y la capacidad de uso.
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Riñones sustitutivos contra la insuficiencia renal un equipo de científicos ha utilizado nanotecnología para desarrollar un filtro de nefronas para humanos (HNF) que podría hacer posible la fabricación de riñones artificiales para su implantación en personas con insuficiencia renal sustituyendo terapias convencionales como la implantación de riñones de donantes así como los métodos de diálisis convencionales. El filtro HNF sería la primera aplicación hacia el eventual desarrollo de una nueva terapia de implantación renal para pacientes en la última fase de insuficiencia renal crónica. El filtro HNF utiliza un sistema único creado mediante nanotecnología aplicada. En el aparato ideal para terapia de reemplazo renal (RRT), esta tecnología se usaría para copiar el funcionamiento de riñones naturales, operando sin parar y de acuerdo con las necesidades particulares de cada paciente. Funcionando 12 horas diarias 7 días de la semana, la tasa de filtración del filtro HNF es dos veces la de hemodiálisis convencional que se administra tres veces a la semana. Según los investigadores, el sistema HNF, al eliminar el dialisate y utilizar un sistema de membrana innovador, supone un gran avance en el campo de terapias de reemplazo de riñón basadas en el funcionamiento de riñones nativos. La mejor tasa de eliminación además del diseño funcional que permite insertarlo sin problemas debería contribuir a una mejora en la calidad de la vida de pacientes con insuficiencia renal crónica. Los científicos pretenden iniciar las primeras pruebas con animales dentro de 1‐2 años para luego pasar a la organización de pruebas clínicas.
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Imanes para eliminar células cancerigenas Unas nanopartículas magnéticas recubiertas con una molécula dirigida especializada han sido capaces de reconocer células cancerosas en ratones y expulsarlas del cuerpo. Los autores del estudio, investigadores del Instituto Tecnológico de Georgia esperan que esta técnica proporcione, algún día, un modo de detectar (y, posiblemente, incluso tratar) el cáncer de ovario metastático. En el caso del cáncer de ovario, la metástasis se produce cuando las células abandonan el tumor principal y flotan libremente en la cavidad abdominal. Si los investigadores pudieran utilizar las nanopartículas magnéticas para atrapar estas células cancerosas a la deriva y extraerlas del fluido abdominal, podrían predecir e incluso evitar la metástasis. Aunque las nanopartículas se han probado en el interior del cuerpo de ratones, los autores prevén un dispositivo externo que extraiga el fluido abdominal del paciente, filtre magnéticamente las células cancerosas y, a continuación, devuelva el fluido al cuerpo. Tras la operación quirúrgica para extraer el tumor primario, el paciente se sometería al tratamiento para eliminar cualquier célula cancerosa que haya quedado. Los investigadores ya están desarrollando un filtro como este y probándolo en el fluido abdominal de pacientes humanos con cáncer. Para probar la nueva tecnología, los investigadores inyectaron primero células cancerosas y, a continuación, las nanopartículas magnéticas en la cavidad abdominal de los ratones. Las células cancerosas se señalaron con un marcador fluorescente de color verde y las nanopartículas con uno de color rojo. Cuando el equipo acercó un imán a la barriga de cada ratón, apareció un área concentrada de brillo verde y rojo bajo la piel, indicando que las nanopartículas habían atrapado las células cancerosas y las habían arrastrado hacia el imán. Este experimento muestra que las nanopartículas pueden atrapar al menos algunas células cancerosas en el interior cuerpo, sin embargo, todavía no está claro qué proporción exactamente pueden captar y extraer. Está prevista la realización de pruebas para comprobar con exactitud dicha proporción.
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Nanotecenología para descubrir bacterias resistentes a antibióticos Investigadores del Reino Unido están utilizando "nanosondas" microscópicas para encontrar nuevos fármacos que resuelvan el problema de la resistencia a los antibióticos. Las diminutas sondas ultrasensibles pueden calcular en qué medida se une un fármaco a las bacterias y su capacidad para debilitarlas y destruirlas. Los investigadores estudiaron la tecnología de silicio en la vancomicina, uno de los pocos antibióticos que todavía funcionan contra infecciones como el SARM (Staphylococcus aureus resistente a la meticilina). Es la primera vez que se utiliza este tipo de nanotecnología para buscar nuevos fármacos. El grosor de las sondas no es mayor que el de un cabello humano, pero son capaces de detectar el mínimo cambio a nivel molecular. Los antibióticos como la vancomicina se unen a la pared celular de las bacterias, causando la ruptura de la bacteria. Cuando la bacteria se vuelve resistente, se producen pequeños cambios en la estructura de su pared celular haciendo que al antibiótico le resulte más difícil adherirse y debilitar la estructura de la célula. Los investigadores del London Centre for Nanotechnology recubrieron una serie de nanosondas con las proteínas que cubren las paredes celulares de las bacterias. Como una diminuta fila de trampolines, las sondas se pliegan en respuesta al "estrés de superficie" que se produce cuando el antibiótico se adhiere a la célula. El sistema logró detectar que es 1.000 veces más difícil para la vancomicina
adherirse
a
las
bacterias
resistentes
que
a
las
no
resistentes.
Ahora están buscando otros posibles antibióticos con el objetivo de encontrar un fármaco capaz de adherirse con fuerza a las bacterias resistentes y causar una flaqueza estructural importante de la pared celular. Se ha producido un alarmante incremento de ‘superbacterias’ resistentes a los antibióticos, como el SARM y los enterococos resistentes a la vancomicina. Es un problema global de salud y está conduciendo al desarrollo de nuevas tecnologías para investigar los antibióticos y su funcionamiento. Los diferentes fármacos causan diferentes debilidades estructurales en la pared celular (unas más eficaces que otras) y la nanotecnología que están utilizando podría ayudar a identificar las que es probable que resulten más destructivas.
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RIESGOS Y PELIGROS DE LA NANOTECNOLOGÍA La nanotecnología molecular es un avance tan importante que su impacto podría llegar a ser comparable con la Revolución Industrial pero con una diferencia destacable ‐ que en el caso de la nanotecnología el enorme impacto se notará en cuestión de unos pocos años, con el peligro de estar la humanidad desprevenida ante los riesgos que tal impacto conlleva. Algunas consideraciones a tener en cuenta incluyen: ‐
Importantes cambios en la estructura de la sociedad y el sistema político.
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La potencia de la nanotecnología podría ser la causa de una nueva carrera de armamentos entre dos países competidores. La producción de armas y aparatos de espionaje podría tener un coste mucho más bajo que el actual siendo además los productos más pequeños, potentes y numerosos. Riesgo por uso personal de la nanotecnología molecular por parte de criminales o terroristas
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La producción poco costosa y la duplicidad de diseños podría llevar a grandes cambios en la economía.
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La sobre explotación de productos baratos podría causar importantes daños al medio ambiente.
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El intento por parte de la administración de controlar estos y otros riesgos podría llevar a la aprobación de una normativa excesivamente rígida que, a su vez, crease una demanda para un mercado negro que sería tan peligroso como imparable porque sería muy fácil traficar con productos pequeños y muy peligrosos como las nanofábricas.
Existen numerosos riesgos muy graves de diversa naturaleza a los que no se puede aplicar siempre el mismo tipo de respuesta. Las soluciones sencillas no tendrán éxito. Es improbable encontrar la respuesta adecuada a esta situación sin entrar antes en un proceso de planificación meticulosa que es imprescindible afrontar para resolver los riesgos. Para hacer esto, debemos primero comprenderlos, y luego desarrollar planes de acción para prevenirlos. La nanotecnología molecular permitirá realizar la fabricación y prototipos de una gran variedad de productos muy potentes. Esta capacidad llegará de repente, ya que previsiblemente los últimos pasos necesarios para desarrollar la tecnología serán más fáciles que los pasos iniciales, y muchos habrán sido ya
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planificados durante el propio proceso. La llegada repentina de la fabricación molecular no nos debe coger desprevenidos, sin el tiempo adecuado para ajustarnos a sus implicaciones. Es imprescindible estar preparados antes. El Centro de Nanotecnología Responsable ha identificado algunos de los riesgos más preocupantes de la nanotecnología. Algunos suponen riesgos existenciales, es decir que podrían amenazar la continuidad de la humanidad. Otros podrían producir grandes cambios sin causar la extinción de nuestro especie. Una combinación de varios de estos riesgos podría empeorar la gravedad de cada uno. Y todas las soluciones que se plantean para uno de estos riesgos deben tener en cuenta el impacto que tendrían sobre los otros. Algunos de estos riesgos son producto de una falta de normativa jurídica, y otros de demasiado control. Hará falta distintos tipos de legislación según cada campo específica. Una respuesta demasiada rígida o exagerada en estos sentidos, podría dar lugar a la aparición de otros riesgos de naturaleza muy distinta por lo que habrá que evitar la tentación de imponer soluciones aparentemente obvias a problemas aislados. Más adelante ofreceremos algunas ideas para normativas jurídicas en el campo de la nanotecnología. De momento se pueden leer en inglés aquí. Un único enfoque (comercial, militar, información libre) no podrá impedir todos estos riesgos de la nanotecnología. Y el propio alcance de algunos de los posibles peligros de la nanotecnología es tal que la sociedad no podrá asumir el riesgo con la aplicación de distintos métodos para impedirlo. No podremos tolerar un escape de plaga gris, o una carrera inestable de armas fabricadas con la nanotecnología. Tejer un hilo entre todos los riesgos requiere un proceso de planificación muy cuidadosa antemano.
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OBSERVACIONES FINALES La nanotecnología ha avanzado enormemente durante las últimas décadas, permitiendo grandes avances en muchos campos, incluidas las ciencias de la salud. Los conceptos de la nanotecnología se están aplicando para el diseño de métodos de diagnóstico más sensibles, sistemas de terapia y de administración controlada de fármacos, así como herramientas que permiten la regeneración de tejidos y órganos dañados. En el futuro, estos sistemas se integrarán en microchips implantables que permitirán la administración programada de fármacos con un tratamiento personalizado y que, al mismo tiempo, podrán medir los parámetros vitales del paciente y trasmitir información directamente al personal médico para tener controlado al paciente mientras éste hace su vida normal. Ya existen chips subcutáneos para medir de forma continua parámetros cruciales como el pulso, la temperatura y la glucosa, nanopartículas que pueden reconocer, detectar y atacar selectivamente células cancerosas en tejidos subdérmicos, así como nanosensores que permiten detectar en fluidos biológicos cantidades extremadamente bajas de moléculas que revelan la existencia de cáncer u otras enfermedades. Se están fabricando actualmente dispositivos «laboratorio‐en‐un‐chip» y se ha pasado a la etapa de ensayo clínico para nanopartículas que realizan una liberación controlada de fármacos. Sin embargo, los largos procesos de aprobación en los sectores médicos y farmacéuticos pueden significar que los beneficios para la salud sólo podrán apreciarse a largo plazo. Aunque todavía es necesario llevar a cabo una gran cantidad de investigación y desarrollo, no cabe duda de que la nanotecnología seguirá sorprendiéndonos con avances que redundarán en una mejora de la calidad de vida de nuestra envejecida sociedad y que ayudará a resolver los problemas causados por las principales enfermedades (cáncer, desórdenes neurodegenerativos y enfermedades cardiovasculares).
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BIBLIOGRAFÍA La información consultada y requerida para la realización de este trabajo, la hemos obtenido de los siguientes enlaces:
http://nanometro.galeon.com/nanomedicina.htm http://www.portalciencia.net/nanotecno/ http://www.euroresidentes.com/futuro/nanotecnologia/nanotecnologia.htm http://managementensalud.blogspot.com/2008/12/la‐nanomedicina‐garantiza‐menores‐ dosis.html http://www.nanomedspain.net/ http://www.zientzia.net/teknoskopioa/2004/nanomedicina.html http://www.euroresidentes.com/Blogs/avances_tecnologicos/2004/10/nanorobots.htm
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Javier Concejo Arias
9.435.377 ‐ H
Lucia García Suárez
53.553.746 ‐ V
Silvia González Rodríguez
71.668.409 ‐ H . 32 .