Nanotecnología: desarrollo y aplicaciones en biotecnología de la salud y áreas afines

Resumen

La nanotecnología es un campo de gran proyección en la actualidad, la cual es aplicada a diversas ciencias; tiene el potencial de crear nuevos materiales y dispositivos con aplicaciones de amplio alcance en la medicina, agricultura y la producción de energía. Se realizó una búsqueda bibliográfica del estado de la biotecnología implicada al área de la salud para conocer los diversos trabajos que se llevan a cabo y las nuevas perspectivas hacia el futuro. La nanomedicina es uno de los campos más estudiados y con mayor cantidad de avances en los últimos años, esta es la ciencia y la tecnología de diagnóstico, tratamiento y prevención de enfermedades y lesiones traumáticas, que alivia el dolor, y preserva y mejora la salud humana; utilizando herramientas moleculares y el conocimiento molecular del cuerpo humano. Numerosas investigaciones han demostrado que nanopartículas transportadoras pueden mejorar la estabilidad de agentes terapéuticos, contra la degradación enzimática, logrando resultados y llegando directamente a los objetivos. La unión de nanopartículas a proteínas es una aplicación de gran avance en la actualidad y que sigue llamando la atención de los investigadores, esta se da por cuatro mecanismos: adsorción electrostática, unión del ligando a la superficie de la nanopartícula, conjugación usando afinidad especifica de la proteína por un cofactor y mediante una reacción directa con átomos de la superficie de la nanopartícula. La separación de moléculas y células usando nanopartículas magnéticas es una línea de investigación que tendría gran importancia por la eficiente selección que proporciona al extraer y purificar ácidos nucleídos y proteínas, así como al aislar células de aplicación medica. La magnetofección es una técnica para la inserción de genes la cual emplea fuerzas magnéticas sobre ácidos nucleicos adheridos a nanopartículas magnéticas para dirigirlos hacia las células deseadas. Por último, otra aplicación de la nanotecnología es el diagnóstico y control de algunas enfermedades como el Cáncer, las nanopartículas pueden ser diseñadas para tener características multifuncionales que le permitan tener un uso terapéutico, de detección, y como agente de selección en la oncología pudiendo ser un aporte bastante significativo para la lucha contra el cáncer. Esta revisión nos muestra que la nanotecnología sin lugar a dudas es un campo de gran interés entre la comunidad científica con gran aplicación en el área de la salud y da grandes perspectivas en el diagnóstico, tratamiento y prevención de enfermedades en los humanos.

La nanotecnología como ciencia aplicada

Los adelantos en ciencias de la salud y biotecnológicos han ido desde sus inicios de la mano. Uno de los campos más explotados y con mayor cantidad de avances en los últimos años ha sido la nanomedicina; la cual fue definida por la Fundación Europea de Ciencia (ESF por sus siglas en ingles) en el 2004 como "la ciencia y la tecnología de diagnóstico, tratamiento y prevención de enfermedades y lesiones traumáticas, de aliviar el dolor, y de preservar y mejorar la salud humana, utilizando herramientas moleculares y el conocimiento molecular del cuerpo humano". No está de más señalar que para esto se emplean sistemas complejos a escala nanométrica con el fin de obtener beneficios médicos. Es relevante saber que la escala nanométrica es en la cual las moléculas y los compuestos operan en células vivas (Diebold y Calonge, 2010).

Se han realizado multitud de fundaciones, asociaciones o grupos dedicados a crear planes de trabajo como iniciativa de proyectos en nanomedicina como es el caso de los Institutos Nacionales de Salud (NIH) de los Estados Unidos, conjuntamente se realizó en el mismo país una red nacional de ocho centros de colaboración en nanomedicina en el 2006 los cuales iban a estar encaminados a recopilar información extensa sobre estructuras biológicas intracelulares con el fin de aplicar dicho conocimiento a nuevos desarrollos de terapias para tratar enfermedades específicas. (Nanomedicine Roadmap Iniciative, 2006; Diebold y Calonge, 2010). Gracias a eventos como estos y muchos otros realizados en el globo se ha logrado fundamentar este campo y darle importancia en ciencias básicas, medicas, forenses, energéticas, entre otras.

La nanotecnología tiene el potencial de crear nuevos materiales y dispositivos con aplicaciones de amplio alcance en la medicina, agricultura y la producción de energía. Las propiedades dependen del tamaño óptico, magnético y eléctrico de nanopartículas, las cuales hacen a la biotecnología un candidato prometedor para bioaplicaciones in vivo como detección, catálisis, terapéutica y células blanco (Mariagrazia et al., 2009). Últimamente en ciencias de la salud la utilización de fármacos usando nanotecnología o la detección de enfermedades con nanopartículas han tenido mucho revuelo esto debido a que es un mecanismo que no es doloroso (Vía intravenosa) y además no se degrada en el tracto intestinal (Vía oral) como la hacen la mayoría de proteínas y polipeptidos, lo cual para el común representa una buena alternativa para su salud. Numerosas investigaciones han demostrado que nanopartículas transportadoras pueden mejorar la estabilidad de agentes terapéuticos, contra la degradación enzimática, logrando resultados y llegando directamente a los objetivos (tejidos o células específicos). Esta revisión intenta agrupar los últimos adelantos con respecto a la nanotecnología ya sea en cuanto a su unión a proteínas, separación de partículas, inserción de genes o diagnóstico de enfermedades.

Unión de las nanopartículas a proteínas

La conjugación de biomoléculas en la superficie de nanopartículas trae un gran interés en la biotecnología y medicina. La conjugación de proteínas específicas con nanopartículas introduce un nuevo avance en la biología molecular y celular que también ha dado lugar a una gran mejora en la entrega de genes in vivo, el diagnóstico clínico, médico dirigido a los receptores blanco. Un método preferido utilizado en muchas áreas de la bioquímica de proteínas es la bioconjugación por unión covalente. Mientras que la absorción de proteínas sobre superficies sólidas, como las nanopartículas pueden ser reversibles en función del pH, las concentraciones de sales, la temperatura u otras características fisicoquímicas o medio ambientales son muy estables. Las estrategias para vincular una proteína con nanopartículas han tomado cuatro enfoques principales: (1) la adsorción electrostática, (2) Conjugación del ligando en la superficie de la nanopartícula, (3) la conjugación de una pequeña molécula cofactor que la proteína puede reconocer y se unen, y (4) conjugación directa a la superficie de la nanopartícula. (Aubin y Schifferli, 2008).

• Adsorción electrostática

El método más utilizado es el de absorción electrostática por ser el más simple ya que no requiere reacción química, y se utiliza habitualmente como marcador de electrones en la histología. Condiciones apropiadas para los ligandos de las nanopartículas y cadenas de proteínas causan que estos se atraigan el uno al otro. La interacción puede ser modulada por la proyección de pH o de carga a través del control de la fuerza iónica del medio. Debido a que es de por sí una interacción no específica, las proteínas puede interactuar con la nanopartícula en cualquier orientaciones o la puede situarse en cualquier cantidad de sitios etiquetados. Sin embargo, la modificación estratégica de la química superficial de nanopartículas ha permitido las interacciones específicas con la proteína. Al cambiar la carga en el extremo del ligando de la nanopartícula y la hidrofobicidad ligando, un sitio específico de la proteína citocromo c puede ser objeto de adsorción en la superficie de la nanopartícula. Experimentos de intercambio de hidrógeno se utilizan para verificar experimentalmente los sitios vinculantes. Cuando las nanopartículas son funcionalizadas con L-fenilalanina, se une el citocromo c en la cara de la proteína cerca de la grieta hemo que contiene muchos residuos polares. Si el ligando es el ácido L-aspártico, la nanopartícula se une a la cara frontal de gran tamaño del citocromo c, que es catiónico.

• Unión del ligando a la superficie de la nanopartícula

Otro método general para la conjugación de nanopartículas con proteínas es el enlace covalente de proteínas al ligando de la nanopartícula. Si la nanopartícula posee múltiples ligandos que pueden reaccionar con las proteínas, esto puede dar lugar a una distribución del número de proteínas en la nanopartícula. Una población de conjugaciones de nanopartícula-proteínas con proteínas diferentes: las relaciones de la nanopartícula se produce normalmente. Este enfoque ha avanzado mucho por el control extremo sobre la química de la superficie de la nanopartícula. Una estrategia para restringir el número posible de grupos de enlace en una nanopartícula incluye el control sobre la morfología de los ligandos de la superficie. Esto ha sido demostrado en el uso estratégico de los ligandos de fase separada de los dominios en la superficie de la nanopartícula, la creación de sólo dos sitios en los que puede reaccionar un ligando colocado. Además, la síntesis de ligandos grandes que coordinan de una manera particular a la superficie de la nanopartícula también ha permitido un número preciso de los grupos de enlace.

• Conjugación usando afinidad especifica de la proteína por un cofactor

Por otra parte, la conjugación nanopartícula-proteína se puede lograr mediante el uso de estrategias específicas de etiquetado en bioconjugación. El vínculo clásico utilizado en bioetiquetado es biotina-estreptavidina vinculante. En efecto, el etiquetado de nanopartículas con ligandos de biotina permite establecer vínculos con estreptavidina, que por su carácter polivalente se puede enlazar a otras especies de biotina marcadas. La interacción biotina-estreptavidina es lo suficientemente fuerte como para ser casi covalente, con una constante de disociación del orden de 10-14 kd. Debido a que hay una amplia variedad de conectores que se pueden adquirir funcionalidad con biotina, lo cual es una manera versátil para lograr un nexo específico. En consecuencia, se ha utilizado ampliamente para la conjugación biológica, así como la conjugación inorgánico-biológica.

Por último, una ruta atractiva para unir una nanopartícula a una proteína específica es el uso de anticuerpos, esto debido a estos puede unirse específicamente a una proteína diana y son convenientes para las nanopartícula de etiquetado. Las conjugaciones de anticuerpos con nanopartículas son útiles para obtener imágenes de la presencia de proteínas específicas y los receptores en las células por fluorescencia por medio de los puntos cuánticos, o proteína de detección vinculantes a través de aplicaciones tales como diagnósticos. Las nanopartículas son vinculadas con el anticuerpo y el conjugado nanopartícula-anticuerpo puede unirse a una proteína específica. La conjugación de las nanopartículas a los anticuerpos por lo general adopta una estrategia global de etiquetado, como las dirigidas a cualquiera de las aminas primarias distribuidas en todo el anticuerpo, o la reducción de los disulfuros en la región bisagra de tioles libres que pueden reaccionar con una nanopartícula.

• Reacción directa con átomos de la superficie de la nanopartícula

Una reacción directa de un grupo químico en una proteína sin el uso de un enlace es usualmente deseado si la partícula es usada como un biosensor donde es utilizado un electrón de transferencia. Estos procesos son sensibles a los cambios de distancia a escala de Angstrom, y los largos enlaces sensibles pueden adoptar múltiples conformaciones, dando lugar a una distancia variable de la nanopartícula-proteína que puede ser problemático en la detección. Además, los largos enlaces pueden dar lugar a conjugados que son más largos que la nanopartícula o de la proteína, lo cual puede disminuir los tiempos de circulación en la sangre o causar problemas en la captación celular. Enlaces directos a la proteína en estos casos sería mucho más deseable además se puede lograr por medio de etiquetas, que puede conectar directamente a átomos Zn, Ni, Cu, Co, Fe, Mn, obviando la necesidad de la adición de un cofactor de iones metálicos. Una preocupación importante en el etiquetado directo del núcleo de las nanopartículas es el hacinamiento en la superficie de esta. Puede ser difícil la llegada a la superficie para los residuos proteicos destinados si el ligando de la nanopartícula es demasiado denso en la superficie o demasiado largo. Así mismo, si la fuerza de la interacción del ligando con la superficie de la nanopartícula es similar o superior al enlace que une a las proteínas con la nanopartícula puede que no sea capaz de desplazar el ligando de la superficie de esta y no adjunte la proteína. En este caso, un gran exceso de proteínas en la reacción es necesario.

La elección del procedimiento de bioconjugación depende estrictamente de las propiedades fisicoquímicas y bioquímicas de los nanomateriales y las proteínas. La proteína producida por diversas cadenas laterales y los residuos pueden interactuar con ligandos recubriendo multitud nanopartículas. Por otra parte, las nanopartículas pueden ser más o menos polidispersas y tienen diferentes propiedades fisicoquímicas, tales como la superficie de área, porosidad, y la carga. Estos aspectos son muy importantes ya que la hidrofobicidad, carga y afinidad de sitios podrían afectar la interacción y por lo tanto poner en peligro la estabilidad de los acoplamientos de los productos covalentes finales. El método más popular para el acoplamiento covalente de nanopartículas a la proteína se basa en la existencia de las proteínas de los grupos funcionales específicos y reactivos como el amino-NH2 (lisina), ácidos carboxílicos-COOH (aspártico, glutámico), hidroxilo-OH (serina, tirosina) y-SH (cisteína). (Patil et al., 2009)

Las proteínas pueden ser químicamente unidas a los diferentes tipos de nanopartículas utilizando reactivos establecidos, moléculas bifuncionales reticulante. En este caso, las nanopartículas necesitan ser funcionalizados con grupos funcionales, tales como ácidos carboxílicos, grupos hidroxilo, sulfhídricos y amino. Las proteínas, incluidos algunos anticuerpos, poseen varias aminas primarias en la cadena lateral de los residuos de lisina y la cadena terminal de cada polipéptido que están disponibles como objetivo del éster hidroxisuccinimida y reactivos de carbodiimida (con grupo funcional: RN=C=NR). Los residuos de cisteína en las proteínas pueden reaccionar con maleimidas (imidas cíclicas) y reactivos de iodoacetamida para así dar productos de tioéter-conjugado. Estos reactivos reaccionan rápidamente a pH fisiológico y puede ser acoplado por lo general con grupos tiol selectivamente en presencia de grupo amino. Las Maleimidas y iodoacetamidas pueden tener la misma aplicación, pero el primer reactivo parece tener mayor selectividad que el segundo, pues este al parecer, no reacciona con histidina ni metionina.

El Crosslinking (nueva técnica química que une dos o más moléculas mediante un enlace covalente) contienen sustancias que poseen extremos reactivos a determinados grupos funcionales de las proteínas u otras moléculas. Estos pueden dividirse en homobifuncionales (iguales grupos reactivos) y heterobifuncional (diferentes grupos reactivos), que tienen enlaces químicos cruzados que pueden o no pueden ser invertidos. Los enlaces cruzados homobifuncionales tienen una desventaja potencial conectando dos grupos vecinos, ya sea en la superficie de las nanopartículas o en la inducción de las proteínas no deseadas del cross-linking. Los enlaces entrecruzados heterobifuncionales permiten conjugaciones secuenciales, minimizando la polimerización. Por ejemplo, sulfosuccinimidyl-4 (N-maleimidomethyl)-ciclohexano-1-carboxilato (sulfo-SMCC) se puede utilizar para acoplar el contenido de biomoléculas tiol con nanopartículas recubiertas con aminas, o viceversa; considerando que el enlace entrecruzado heterobifuncional 1-etil-3-(3-dimetilaminopropil) carbodiimida (EDC) es comúnmente utilizado para conectar grupos NH2 y-COOH (Jameson y Wong, 2009; Hurt et al., 2010).

Muchos enlaces entrecruzados tanto homofuncionales como heterofuncionales están disponibles en el mercado y pueden ser elegidos para necesidades específicas. Como los de longitud cero como carbodiimidas; ampliamente utilizados permitiendo enlaces covalentes entre las nanopartículas y proteínas sin la inserción de espaciadores exógenos. Sin embargo, la conexión directa de una proteína a una superficie sin un espaciador puede causar restricciones estéricas modificando la reactividad de proteínas en comparación con la proteína en la solución. Además, sin un espaciador, varios contactos entre la proteína y la superficie de las nanopartículas son más propensos a favorecer total o parcialmente la desnaturalización de las proteínas disminuyendo así la actividad de la proteína.

Separación de moléculas y células usando nanopartículas magnéticas

La separación de proteínas o ácidos nucleicos de muestras naturales tales como plantas o tejidos animales requieren de muestras bastante complejas para ser altamente purificado. Igualmente para el aislamiento de células con aplicaciones médicas (células humanas) se requiere de un protocolo exhaustivo en el cual se degraden o eliminen las células no deseadas, todo esto puede lograrse sin mayor complicación gracias al uso controlado de nanopartículas magnéticas, lo que otorga un alto nivel de especificad y además se puede omitir algunos pasos que se deberían tener en cuenta en la mayoría de los enfoques convencionales (Corchero y Villaverde, 2009). La separación de las células y de micropartículas en los sistemas de microfluidos ha ganado recientemente una considerable atención en la preparación de muestras para estudios biológicos y químicos. El desarrollo de dispositivos de microfluidos se ha convertido en un tema de investigación popular debido a las ventajas que ofrece sobre los métodos convencionales de macroescala como la reducción de costos, disminución del tamaño de la muestra, el consumo de reactivos, y la adaptabilidad para la automatización. En los procesos biológicos, químicos o médicos participan fluidos complejos con partículas incrustadas, las cuales a menudo requieren la separación preparativa de las partículas, las células, o incluso moléculas que son necesarias para los procedimientos posteriores. En los procesos convencionales de separación a macroescala, la centrifugación y filtración por membrana se ha utilizado durante muchas décadas, mientras que los métodos más sofisticados, tales como Clasificación de Células Activadas por Fluorescencia (FACS) y la separación de células activadas magnéticamente (MACS) se establecieron rápidamente como los métodos estándar para la celda de alta calidad y la separación de partículas. Cuando se introdujeron microfluidos estos fueron rápidamente reconocidos como un campo nuevo, emocionante científicamente y sus aplicaciones a procesos químicos y biológicos se expandieron rápidamente. Estos avances tecnológicos permitieron la miniaturización de los dispositivos de filtración y la realización de las geometrías de canal correctas, lo que lleva a la separación de las células y partículas a través de una combinación de microestructuras y de flujo laminar a su alrededor. Por otra parte, una serie de transductores de fuerza desarrollada a través de las últimas décadas se han aplicado recientemente a los dispositivos de microfluidos y se utilizan para manipular las micropartículas de las fuerzas no inerciales incluyendo dielectroforesis (DEP) de la fuerza, fuerza del gradiente óptico, la fuerza magnética, y la fuerza de radiación acústica primaria, lo que origino numerosos exitosos diseños de microchips de partículas y logro la separación de células. Las fuerzas de inercia como la fuerza gravitacional y la fuerza centrífuga también se pueden utilizar para separar las partículas. Sin embargo, debido a pequeñas diferencias de densidad entre los diferentes subtipos de células los métodos de separación sobre la base de estas fuerzas normalmente requieren un tiempo de separación amplio o un dispositivo de centrífugacion que limita seriamente la integración en línea con otros procesos en el chip. (Stone et al., 2004; Tsutsui y Chih-Ming Ho, 2009).

Existen en la actualidad varios estudios sobre la separación de partículas empleando microestructuras, un ejemplo de esto es el propuesto por VanDelinder y Groisman en el 2007 donde toman el método más simple de separación de células y partículas en los sistemas de microfluidos, la discriminación por tamaño de tamices de filtración. Últimamente, varios grupos han desarrollado chips de microfiltración totalmente integrado con canales fluidos y microtamices. Por ejemplo, una serie de microtamices colocados perpendicularmente a la dirección del flujo se utilizó para fraccionar una mezcla de células metástasicas de pacientes con cáncer para el pronóstico y diagnóstico. Para separar las células individuales sobre la base de sus características mecánicas, se desarrolló una serie de tamices microfabricados en un dispositivo de microfluido. Estos dispositivos se construyen con cuatro regiones sucesivas más estrechas que los canales que poseen una proporción alrededor de 1800 por región. Como las células atravesaron el dispositivo, se encontraron con cada región y se detuvieron en una anchura de boquete que prohibía el paso debido a su tamaño. Las células cultivadas se mezclan con la sangre total y se aplica al dispositivo, se mantuvieron canales de 10 micras de ancho por 20 micras de profundidad. Todas las otras células migran a la salida. Un derivado del mismo dispositivo se utilizó para caracterizar la migración de la sangre entera. Las células blancas de la sangre de adultos fueron retenidos en canales de 2,5 micras de ancho por 5 micras de profundidad, mientras que las células rojas de la sangre pasaron a través de estos canales. Este Dispositivo diseñado para capturar las células poco comunes en la circulación periférica para el análisis aguas abajo será una herramienta importante para el diagnóstico y tratamiento del cáncer (VanDelinder y Groisman, 2007; Tsutsui y Chih-Ming Ho, 2009)

Otro estudio de la Universidad de Taiwán nos muestra cómo es posible el aislamiento, recuento y clasificación de células madre hematopoyéticas del cordón umbilical por medio de microfluidos. Como sabemos las células madre hematopoyéticas tienen la capacidad de diferenciarse en glóbulos rojos, glóbulos blancos y plaquetas, que son muy útiles en la terapia celular. Se integran tres módulos en un solo chip utilizando la tecnología de microfluidos; un módulo para aislamiento celular, un módulo para recuento de células y uno dedicado a la clasificación. El módulo de aislamiento de células está compuesto de cuatro tipos de membrana en un micromixer que permite la unión de las células madre con nanopartículas magnéticas, con dos microbombas neumáticas que permiten el transporte de las muestras y por ultimo un canal en forma de superficie inferior. El recuento celular se realiza por medio de celdas de conteo y clasificación de modulo. Este estudio mostró una eficiencia de separación del 88% para las células hematopoyéticas de la sangre del cordón umbilical lo cual se alcanza en 40 minutos en un volumen de muestra de 100ul. En resumen esta investigación plantea que es posible incubar muestras biológicas, aislar células específicas, recuento óptico de células y clasificación automática por medio de un solo sistema integrado de microfluidos utilizando nanopartículas magnéticas conjugadas con anticuerpos, además de realizarlo en un tiempo mucho menor a los métodos convencionales que tardan solo en el recuento celular más de 5 horas, razón por la cual esta innovadora técnica es muy prometedora a futuro para terapia génica y el trabajo con células madre. (Huei-Wen Wu et al., 2010)

Inserción de genes: Modificaciones

Para mejorar la eficiencia de la expresión génica se han empleado numerosas técnicas de inserción de genes en el transcurso de los últimos años. Una de las técnicas más ampliamente empleada es la electroporación, lastimosamente esta técnica puede venir acompañada de algunos efectos tóxicos no deseados y su eficiencia es limitada. Gracias a estudios en nanotecnología últimamente se está empleando una técnica llamada "magnetofección" la cual emplea fuerzas magnéticas sobre ácidos nucleicos adheridos a nanopartículas magnéticas para dirigirlos hacia las células deseadas (Corchero y Villaverde, 2009). La alta eficiencia en la transfección de genes es importante pues permite el estudio del gen en relación con la función de la proteína a la que codifica. Recientemente se ha demostrado en varias líneas celulares que el acoplamiento de nanopartículas magnéticas a vectores génicos aumenta la captación de los vectores y en consecuencia la expresión de la proteína diana (Scherer et al., 2002).

La capacidad de las nanopartículas magnéticas de ser funcionales y al mismo tiempo responder a un campo magnético las hacen una de las herramientas más sobresalientes de los últimos años principalmente en campos médicos. El uso de imágenes de nanopartículas magnéticas ha avanzado en imágenes de resonancia magnética, las drogas guiadas y la entrega de genes, la terapia de hipertermia magnética del cáncer, la ingeniería de tejidos, células y seguimientos de bioseparación. La terapia integrativa y de diagnóstico aplicado han surgido con el uso de las nanopartículas magnéticas, como la imágenes por resonancia magnética basado en la entrega de genes de cáncer específicos. Sin embargo, la evidencia sugiere que ciertas propiedades de las nanopartículas (por ejemplo, el área reactiva mejorada, capacidad de atravesar las barreras de células y tejidos, la resistencia a la biodegradación) amplían su potencial citotóxico en relación con pruebas moleculares. El estrés oxidativo se manifiesta en la activación de las especies reactivas del oxígeno (ROS) (nivel I), seguida de una respuesta pro-inflamatoria (nivel II) y algunos daños en el ADN conducen a la apoptosis celular y mutagénesis (nivel III) . En vivo la administración de nanopartículas magnéticas son rápidamente cuestionadas por los macrófagos del sistema retículo endotelial (RES), dando como resultado la neutralización no sólo del potencial de toxicidad MPF, si no también se reduce el tiempo de circulación necesaria para la eficacia de la nanopartícula magnética (MNP). Se discute el papel del tamaño de la MNP, la composición y química de la superficie en su captación intracelular, biodistribución, el reconocimiento de los macrófagos y la citotoxicidad, y revisar los estudios actuales sobre la toxicidad del MNP, advertencias de las evaluaciones de nanotoxicidad y estrategias de ingeniería para optimizar nanopartículas magnéticas para uso biomédico (Shubayev et al., 2009).

En un estudio realizado por la Universidad de Munich se investigó si la técnica de la magnetofección puede mejorar la transferencia de genes a células epiteliales primarias mostrando resultados bastante importantes pues la magnetofección de las células endoteliales de vena umbical aumento drásticamente la eficiencia de la transfección del gen estudiado (en este caso fue el gen reportero de la luciferasa) hasta 360 veces en contraste con sistemas de transfección convencional como electroporación, microinyección, entre otros. Por el contrario solo existe un aumento de 1,6 veces la toxicidad causada, lo que sugiere que las ventajas causadas por magnetofección desequilibran el aumento de la toxicidad. Se emplearon varios reactivos comerciales de transfección de lípidos catiónicos y polietilenimina, este último es un polímero catiónico el cual se puede unir al ADN y ser endocitado por la célula, puede transfectarse en la célula y expresar eficientemente la actividad de la luciferasa. Empleando verde fluorescente los porcentajes de la transfección de células ascendieron a un 38.7% mientras que el testigo (ausencia del método de magnetofección) la transfección fue de un 1.3%. En resumen la eficacia y viabilidad de la transfección por medio de magnetofección basada en las células endoteliales permiten una aplicación simple y poseen ventajas importantes en la investigación celular experimental, y podría ser un paso importante en el aumento de la probabilidad en la transferencia de genes in vivo en células vasculares. (Krötz et al., 2003)

Desafíos para el campo de rápido avance de la nanotecnología magnética son: las modalidades de reducción de la magnetización con ciertas modificaciones de superficies avanzadas, las distancias entre el lugar de destino y el campo magnético, el potencial de la disociación del dominio funcionalizados (por ejemplo, péptidos terapéuticos) con el núcleo magnético, y la aglomeración de las partículas en campos magnéticos, la promoción de la embolización o la toxicidad de otros tejidos. Las propiedades de la aglomeración de nanopartículas magnéticas en los tejidos han llevado a las estrategias terapéuticas de la citotoxicidad localizadas, como el tumor de las estrategias selectivas y suicidio de macrófagos. Sin embargo, deben ser considerados los efectos potencialmente tóxicos por la sobrecarga de nanopartículas magnéticas en los tejidos sanos. Así que se deben estudiar métodos de ingeniería para aumentar la capacidad de las nanopartículas magnéticas para evadir los macrófagos. Un grupo creciente del gobierno, la industria, la academia y los ecologistas piden que los estudios sobre la toxicidad de las nanopartículas que ya están utilizadas en las zonas de consumo requieran de rigurosas evaluaciones de toxicidad. Cuestiones complejas de la legislatura de reglamentación dependen en gran medida de la disponibilidad de los estudios de toxicidad pertinentes. Como aumenta la demanda de evaluación de nanotoxicidad la relevancia clínica y planteamientos mecanicistas se debe priorizar. La fusión de disciplinas bioingeniería, la biomedicina y la toxicología fomentará el desarrollo de estrategias para el ingeniero sobre avanzadas formulaciones de nanopartículas magnéticas y nanodispositivos con interfaces biocompatibles (Shubayev et al., 2009).

Nanotecnología: Diagnóstico y control de algunas enfermedades – Cáncer

Hasta hace muy poco tiempo los médicos solo tenían su experiencia y conocimientos propios para diagnosticar a los pacientes y preinscribir fármacos, sin embargo últimamente con adelantos en medicina genómica, farmacogenómica, nanotecnología y nanomedicina se ha logrado saber el efecto que tienen determinados fármacos en el organismo y el comportamiento de los mismos.

La nanomedicina tiene un gran potencial para intervenir con el cáncer a escala molecular y entregar dosis potentes de agentes terapéuticos en las células de cáncer con mayor especificidad y toxicidad reducida. El desarrollo de nanopartículas puede funcionar como soporte para la terapéutica y balizas moleculares para la detección. Las nanopartículas pueden ser diseñadas para tener características multifuncionales que le permitan tener funciones terapéuticas, de detección, y agentes de selección. Formulaciones de nanomateriales se han introducido y evaluado como herramientas para la detección, prevención y tratamiento en oncología. A partir de los recientes avances en nuestra comprensión de la invasión de las células cancerosas se han creado nuevas oportunidades para desarrollar nanopartículas diseñadas para controlar y tratar el cáncer de invasión y la metástasis. Las nanopartículas desarrolladas para el diagnóstico y el tratamiento células de invasión cancerígena presentan numerosas ventajas frente a la medicina convencional pues tienen el potencial para permitir la entrega preferencial de las drogas a los tumores y el uso de más de un agente terapéutico para la terapia combinatoria.

Además se ha logrado con ayuda de la nanotecnología la adición de antígenos en una nanopartícula la cual se puede dirigir eficientemente con una acumulación de fármacos directamente al blanco o tejido enfermo. Un ejemplo de esto lo podemos relacionar con un adelanto muy importante para tratar adenocarcinoma pancreático ductal (PDAC), el cual es una de las principales causas de muerte por cáncer en todo el mundo; mediante modelos de ratón donde se identificaron marcadores conservados de la enfermedad por medio de anticuerpos. Los anticuerpos para lograr tener farmacocinética ideal y una capacidad amplia de realizar una resonancia magnética estarían ligados a péptidos que sería lo más normal pues ellos otorgan orientación, especificidad, afinidad y farmacocinética pero tienen una gran desventaja y es su vida media la cual es menor a 5 minutos, razón por la cual en este trabajo se emplean nanopartículas multimodal con la focalización de péptidos las cuales pueden evitar este problema de degradarse rápidamente y son bastante pequeños lo que facilita su orientación y pueden ser internalizados con facilidad en la célula. Se emplearon las nanopartículas dirigidas hacia péptidos que se unen a los antígenos de la superficie celular de las células del carcinoma lo cual mostro unos resultados que distinguen a las células cancerígenas de las células normales del conducto pancreático in vitro del ratón, lo cual mediante un análisis de proteomica se pudo establecer como un biomarcador denominado plectin-1 de las células del adenocarcinoma pancreático ductal. Para evaluar la utilidad de dicho marcador en células in vivo se conjugo el plectin-1 con células magnetofluorescentes lo cual permite la detección de la enfermedad gracias a resonancia magnética, este es sin lugar a dudas un aporte bastante significativo para la lucha contra el cáncer (Kimberly et al., 2008).

Conclusión

El potencial de las nanopartículas para funcionar y de responder a un campo magnético hace de la nanotecnología, una de las herramientas más sobresalientes de los últimos años en el campo médico. El uso de imágenes de nanopartículas magnéticas ha avanzado en imágenes de resonancia magnética, así como ha contribuido a la creación de drogas guiadas cuya ventaja radica en que no es doloroso (Vía intravenosa) ni se degrada en el tracto intestinal (Vía oral) como la hacen la mayoría de proteínas y polipeptidos. De esta misma manera ha contribuido a la entrega de genes, la terapia de hipertermia magnética del cáncer, la ingeniería de tejidos, células y seguimientos de bioseparación, así como la terapia integrativa y de diagnóstico aplicado que han surgido con el uso de las nanopartículas magnéticas para la conjugación de proteínas específicas, como las imágenes por resonancia magnética basadas en la entrega de genes de cáncer específicos.

Sin embargo, la evidencia sugiere que ciertas propiedades de las nanopartículas (por ejemplo, el área reactiva mejorada, capacidad de atravesar las barreras de células y tejidos, la resistencia a la biodegradación) amplían su potencial citotóxico en relación con pruebas moleculares, lo cual ha sido respaldado por la neutralización de este potencial toxico por parte de los macrófagos del sistema retículo endotelial sin embargo se ha discutido que estos también afectan la eficacia de la nanopartícula al reducir su tiempo de circulación lo cual abriría un debate y generaría un nuevo enfoque dentro de este campo de estudio con el fin de profundizar  en esta problemática .

Referencias Bibliográficas

Aubin y Schifferli. 2008. Structure and function of nanoparticle protein conjugates. Biomed Mater. 2008;3(3):034001.

Corchero y Villaverde. 2009.Biomedical applications of distally controled magnetic nanoparticles. El servier. doi: 10.1016/j.tibtech.2009.04.003.

Diebold Yolanda y Calonge Margarita. 2010. Applications of nanoparticles in ophthalmology. ScienceDirect. Progress in Retinal and Eye Research 29 (2010) 596-609.

Huei-Wen Wu et al. 2010. An integrated microfluidic system for isolation, counting, and sorting of hematopoietic stem cells. BIOMICROFLUIDICS 4, 024112 doi: 10.1063/1.3454767

Hurt et al. 2010. Crosslinking Studies of Protein-Protein Interactions in Nonribosomal Peptide Biosynthesis. . Chem Biol. 2009 April 24; 16(4): 372–381. doi:10.1016/j.chembiol.2009.02.009

Kimberly et al. 2008. Targeted nanoparticles for imaging incipient pancreatic ductal adenocarcinoma. PLoS Med 5(4): e85. doi: 10.1371/journal.pmed.0050085.

Krötz et al. 2003. Magnetofection Potentiates Gene Delivery to Cultured Endothelial Cells. 'Vascular Research. J Vasc Res 2003;40:425-434 DOI: 10.1159/000073901.

Mariagrazia et al. 2009. Overview of the main methods used to combine proteins with nanosystems: absorption, bioconjugation, and encapsulation. International Journal of Nanomedicine: 2010:5 37–49

National Institutes of Health of the U.S.A. 2006. Nanomedicine Roadmap Initiative. http://nihroadmap.nih.gov/nanomedicine/.

Patil et al., 2009. The use of nanoparticle-mediated targeted gene silencing and drug delivery to overcome tumor drug resistance. Biomaterials. Author manuscript; available in PMC 2011 January 1. PMCID: PMC2783414. doi: 10.1016/j.biomaterials.2009.09.048.

Scherer et al. 2002 Magnetofection: Enhancing and targeting gene delivery by magnetic force in vitro and in vivo. Gene Ther 2002;9:102-109.

Shubayev et al. 2009. Magnetic nanoparticles for theragnostics. Adv Drug Deliv Rev. 2009 June 21; 61(6): 467–477. doi:10.1016/j.addr.2009.03.007.

Tsutsui y Chih-Ming Ho. 2009. Cell Separation by Non-Inertial Force Fields in Microfluidic Systems. Mech Res Commun. 2009 January 1; 36(1): 92–103. doi:10.1016/j.mechrescom.2008.08.006.

Veiseh et al. 2011. Cancer Cell Invasion: Treatment and Monitoring Opportunities in Nanomedicine. Advanced Drug Delivery Reviews ADR-12091; No of Pages 15

Autores

Mesa Rivera Javier Andrés

Facultad de Ciencias. Programa de Biología

Metodología de la Investigación

Barrio Santa Helena Parte Alta, Ibagué, Tolima, Colombia

A. 546 Universidad del Tolima,

Quintero Espinosa Diana Alejandra

Facultad de Ciencias. Programa de Biología

Metodología de la Investigación

Barrió Santa Helena Parte Alta, Ibagué, Tolima, Colombia

A. 546 Universidad del Tolima,

Gustavo Fabián Pacheco Vargas

Facultad de Ciencias. Programa de Biología

Metodología de la Investigación

Barrió Santa Helena Parte Alta, Ibagué, Tolima, Colombia

A. 546 Universidad del Tolima,