Nanotecnología: narobótica para el tratamiento del cáncer

Resumen

En la última década hemos vivido un gran desarrollo de la tecnología microscópica y su integración en la práctica clínica. Ahora nos encontramos en la etapa en que las promesas y visiones futuras de siglos anteriores se están empezando a plasmar en una sólida realidad. Este artículo da un vistazo a la medicina moderna y mira hacia el futuro. Robots con cámara miniatura (microrobots) proporcionan una plataforma de visualización móvil, mejorando la visión de un cirujano. Nanorobots han surgido desde el mundo ficticio para finalmente aplicarse a los tratamientos clínicos. A medida que se desarrolla y se investiga la aplicación de nanorobots se va focalizando su uso y aplicación de manera precisa y confiable en el suministro de agentes de diagnóstico y terapias. Estos nuevos robots tienen el potencial de evolucionar aún más el arsenal robótico para los cirujanos o para el tratamiento de enfermedades como la diabetes, algunas lesiones físicas, prevención y tratamiento del cáncer o simplemente prevenir el envejecimiento.

Introducción

La nanotecnología consiste en la ingeniería de estructuras moleculares precisas y máquinas moleculares, la nanomedicina es la aplicación de la nanotecnología a la medicina, incluyendo el desarrollo de nanorobótica médica. Ya existen diseños teóricos para nanomaquinaria tales como rodamientos, engranajes, motores, bombas, sensores, manipuladores y los ordenadores incluso moleculares. [1] [2]

Los nanorobots médicos pueden proporcionar tratamientos dirigidos a los distintos órganos, tejidos, células e incluso componentes intracelulares, y pueden intervenir en los procesos biológicos a nivel molecular bajo la supervisión directa del médico. Dispositivos robóticos a escala micrométrica programables harán posibles curas integrales para la enfermedad humana, la reversión de un trauma físico, y la reparación de células individuales. [3] [4] [7] [9]

El desarrollo progresivo hacia el uso terapéutico de nanorobots debe observarse como el resultado natural de algunos de los logros actuales y futuros en la instrumentación biomédica , la comunicación inalámbrica , la transmisión de energía a distancia , la nanoelectrónica , los nuevos materiales de ingeniería , la química, la proteómica y la fotónica .Un enfoque computacional con la aplicación de nanorobótica, los médicos simulan el control de la diabetes usando datos clínicos , esta simulación integrada puede proporcionar herramientas interactivas para abordar opciones Nanorobot sobre detección, especificación de diseño de hardware, análisis de fabricación , y la metodología para la investigación de control. En la propuesta de creación de prototipos 3D, el médico puede ayudar al paciente a evitar la hiperglucemia por medio de un dispositivo portátil, como un teléfono celular, que se utiliza como un dispositivo portátil inteligente para comunicarse con los nanorobots. Por lo tanto, esta arquitectura ofrece una opción apta para establecer una plataforma práctica nanorobótica médica para vigilancia de la salud en vivo. [3] [5] [7] [9]

Desarrollo

La Nanorobótica aplicada a la medicina

Herramientas y técnicas basadas en la nanotecnología se están convirtiendo rápidamente en el campo de la imagen médica y la aplicación en fármacos. El empleo de construcciones tales como dendrímeros, liposomas, nanocápsulas, nanotubos, emulsiones, etc. Estos avances conducen hacia el concepto de la medicina personalizada para un temprano diagnóstico, junto con la terapia que resultaría muy eficaz. Destacando las aplicaciones disponibles clínicamente, esta revisión explora las oportunidades y problemas que rodean la nanomedicina. [1] [6] [10]

La respuesta de los organismos de acogida (incluyendo las proteína y componentes a nivel celular) a los nanomateriales es diferente que la observada a los materiales convencionales. Los nanomateriales son aquellos materiales que poseen constituyentes de menos de 100 nm en al menos una dirección. Esta revisión se introducirán primero el uso de nanomateriales en una variedad de aplicaciones de implantes destacando su promesa hacia la regeneración de tejidos. Tales estudios revisados ??se hará hincapié en las interacciones de los nanomateriales con diversas proteínas y posteriormente las células. Por otra parte, tales avances en el uso de nanomateriales como nuevos implantes han sido en gran medida, hasta la fecha, determinado por métodos convencionales. Sin embargo, las relaciones entre estructura y propiedades únicas para nuevos materiales nanométricos residen en la nanoescala. Es decir, la novedad de un nanomaterial sólo puede ser apreciado por la caracterización de su interacción con los sistemas biológicos (como las proteínas) con herramientas de análisis de resolución de escala nanométrica . Esta caracterización de los nanomateriales en la nanoescala es fundamental para la comprensión y, por lo tanto, seguir promoviendo un mayor crecimiento de los tejidos sobre los nanomateriales. Por esta razón, si bien se necesitan más herramientas para este campo emergente, esta revisión también cubrirá técnicas actualmente disponibles de caracterización de superficies que hacen hincapié en la resolución nanométrica pertinente para la caracterización de las interacciones biológicas con los nanomateriales. Sólo a través de la coordinación de las herramientas de análisis de nanoescala con los estudios que ponen de relieve los mecanismos de aumento en el crecimiento del tejido en nanomateriales podremos diseñar mejores materiales de implante. [2] [3] [5] [9] [10]

Nanomateriales y nanodispositivos

Los nanomateriales son materiales que se caracterizan por un tamaño ultra grano fino (<50 nm) o por una dimensionalidad limitado a 50 nm. Los nanomateriales se pueden crear en diversas dimensiones: cero (atómica cúmulos, filamentos y asambleas de racimo), uno (multicapas), dos (de grano ultrafino-sobrecapas o capas enterradas), y tres (nanophase materiales que consisten en igual tamaño nanométrico). [8] [12]

Los nanomateriales que consiste en cristalitos o granos de tamaño nanométrico pueden ser clasificados de acuerdo con su composición química y la forma, como se mencionó anteriormente. De acuerdo con la forma de los cristalitos o granos podemos clasificar en términos generales los nanomateriales en cuatro categorías: [11]

1. clusters o polvos (MD = 0)

2. Multicapas (MD = 1)

3. overyaers ultrafinas grano pequeño, y capas enterradas (en el que el espesor de la capa o los caña-diámetros <50 nm) (MD = 2)

4. nanomateriales compuestos por igual tamaño nanométrico (MD=3).

Todos estos se pueden apreciar en la figura 1. [10] [13]

Figura 1. Esquema de clasificación de los nanomateriales en función de su composición química la dimensionalidad (forma) de los cristalitos (elementos estructurales) que forman el nanomaterial.

Nanodispositivos

Nanoporos

Un nanodispositivo interesante es la nanopore. Mejora los métodos de lectura del código genético ayudará a los investigadores a detectar errores en los genes que pueden contribuir al cáncer. Los científicos creen que los nanoporos, pequeños agujeros que permiten que el ADN pase a través de una de las cadenas a la vez, harán que la secuenciación de ADN más eficiente. Como el ADN pasa a través de un nanopore, los científicos pueden controlar la forma y las propiedades eléctricas de cada base, o una carta, en la hebra. Debido a estas propiedades son únicas para cada una de las cuatro bases que componen el código genético, los científicos pueden utilizar el paso de ADN a través de un nanoporo de descifrar la información codificada, incluyendo los errores en el código conocido asociado con el cáncer. Ver figura 2[14][15]

Figura 2. Nanoporo, estructura, medida.[22]

Nanotubos – Las mutaciones de marcado

Nanodispositivo que ayudará a identificar los cambios en el ADN asociadas con el cáncer es el nanotubo. Los nanotubos son varillas de carbono alrededor de la mitad del diámetro de una molécula de ADN que no sólo puede detectar la presencia de genes alterados, pero pueden ayudar a los investigadores determinar la ubicación exacta de dichos cambios. [16] [17]

Para preparar ADN para el análisis de nanotubos, los científicos deben unir una molécula de voluminoso para regiones del ADN que están asociados con el cáncer. Pueden diseñar etiquetas que buscan mutaciones específicas en el ADN y se unen a ellos. Ver figura 3. [15] [16] [17]

Figura 3. Nanotubo, estructura, medida.[22]

Una vez que la mutación ha sido etiquetado, los investigadores usan una punta de nanotubo se asemeja a la aguja en un tocadiscos para trazar la forma física de ADN e identificar las regiones mutadas. El nanotubo crea un mapa que muestra la forma de la molécula de ADN, incluyendo las etiquetas que identifican mutaciones importantes. Desde la ubicación de las mutaciones puede influir en los efectos que tienen sobre una célula, estas técnicas serán importantes en la predicción de la enfermedad. Ver figura 4.[16] [17] [18]

Figura 4. Nanotubo, identificando regiones mutadas.[22]

Quantum Dots

Molécula minúscula que se utilizará para detectar el cáncer es un punto cuántico. Los puntos cuánticos son pequeños cristales que brillan cuando son estimulados por la luz ultravioleta. La longitud de onda, o color, de la luz depende del tamaño del cristal. Perlas de látex llenos de estos cristales se pueden diseñar para unirse a secuencias específicas de ADN. Mediante la combinación de diferentes puntos cuánticos de tamaño dentro de un solo cordón, los científicos pueden crear sondas que emiten distintos colores e intensidades de luz. Cuando los cristales son estimulados por la luz UV, cada perla emite luz que sirve como una especie de código de barras espectral, la identificación de una región particular del ADN. Ver figura 5[17] [19] [20]

Figura 5. Quantum dots, estructura, medida.[22]

Para detectar el cáncer, los científicos pueden diseñar los puntos cuánticos que se unen a secuencias de ADN que están asociados con la enfermedad. Cuando los puntos cuánticos se estimulan con luz, emiten sus códigos de barras únicos, o etiquetas, por lo que los críticos, las secuencias de ADN asociadas con el cáncer visible. [16] [18] [21]

La diversidad de los puntos cuánticos permitirá a los científicos crear muchas etiquetas únicas, que pueden identificar numerosas regiones de ADN simultáneamente. Esto será importante en la detección de cáncer, que resulta de la acumulación de muchos cambios diferentes dentro de una célula. Otra ventaja de los puntos cuánticos es que pueden ser utilizados en el cuerpo, eliminando la necesidad de la biopsia. Ver figura 6. [20] [21]

Figura 6. Quantum dots identificando agentes cancerígenos.[22]

Mejorar el Tratamiento de Cáncer

La nanotecnología también puede ser útil para el desarrollo de formas de erradicar las células cancerosas sin dañar las células sanas, vecinos. Los científicos esperan poder utilizar la nanotecnología para crear agentes terapéuticos que se dirigen a células específicas y entregan su toxina en una forma de liberación gradual controlada. Ver figura 7. [19] [20] [21]

Figura 7. Quantum dots usados en el tratamiento del cáncer.[22]

Nanosferas

Nanosferas son perlas minúsculas recubiertas de oro. Mediante la manipulación del espesor de las capas que componen las nanocápsulas, los científicos pueden diseñar estas perlas para absorber longitudes de onda específicas de la luz. Las nanocápsulas más útiles son los que absorben la luz en el infrarrojo cercano, que puede penetrar fácilmente en varios centímetros de tejido humano. La absorción de la luz por las nanocápsulas crea un intenso calor que es letal para las células. Ver figura 8 [17] [20] [21]

Figura 8. Nanoesferas, estructura, medida. [22]

Los investigadores ya pueden vincular nanocápsulas a los anticuerpos que reconocen las células cancerosas. Los científicos prevén dejar que estas nanocápsulas buscan sus blancos cancerosos, a continuación, aplicar la luz en el infrarrojo cercano. En cultivos de laboratorio, el calor generado por las nanocápsulas de absorción de luz ha matado con éxito las células tumorales, mientras que deja las células vecinas intacta. Ver figura 9. [18] [19] [20]

Figura 9. Nanoesferas usadas en el tratamiento del cancer.[22]

Los investigadores apuntan finalmente a crear nanodispositivos que hacen mucho más que ofrecer tratamiento. El objetivo es crear un único nanodevice que hacer muchas cosas: ayudar en la formación de imágenes en el interior del cuerpo, reconocer las células precancerosas o cancerosas, liberar un fármaco que se dirige sólo a las células, y que informe sobre la eficacia del tratamiento. Ver figura 10. [17] [18] [19]

Figura 10. Nanodispositivos usados en la detección, diagnóstico y tratamiento del cáncer.[22]

Los dendrímeros

Se están realizando investigaciones sobre una serie de nanopartículas creadas para facilitar la administración de fármacos. Una de tales moléculas con potencial de vincular el tratamiento con la detección y el diagnóstico se conoce como un dendrímero. Los dendrímeros son moléculas artificiales sobre el tamaño de una proteína media, y tienen una forma de ramificación. Esta forma les da gran cantidad de superficie a la que los científicos pueden adjuntar agentes terapéuticos u otras moléculas biológicamente activas. Los investigadores apuntan finalmente a crear nanodispositivos que hacen mucho más que ofrecer tratamiento. Ver figura 11. [19] [20] [21]

Figura 11. Dentrimeros, estructura, medida. [22]

Un único dendrímero puede llevar a una molécula que reconoce las células de cáncer, un agente terapéutico para matar a las células, y una molécula que reconoce las señales de muerte celular. Los investigadores esperan poder manipular dendrímeros para liberar su contenido sólo en la presencia de ciertas moléculas desencadenantes relacionados con el cáncer. Después de la liberación del fármaco, los dendrímeros también pueden informar si están matando con éxito sus objetivos. Ver figura 12. [17] [18]

Figura 12. Dentrimeros usados en el tratamiento del cancer.[22]

Nanotecnologías en Atención al Paciente

Nanotecnologías que ayudarán en el tratamiento del cáncer se encuentran en distintas etapas de descubrimiento y desarrollo. Los expertos creen que los puntos cuánticos, nanoporos, y otros dispositivos para la detección y el diagnóstico pueden estar disponibles para su uso clínico en 5 a 15 años. Se espera que los agentes terapéuticos para estar disponible en un plazo similar. Los dispositivos que integran la detección y la terapia podrían utilizarse clínicamente en unos 15 o 20 años. Ver figura 13.[19] [20] [21]

Figura 13. Nanotecnología usada en el tratamiento del cáncer.

Conclusiones

Una mejor comprensión de la influencia del tamaño de los bloques de construcción de nanomateriales estructurados, así como la influencia de la microestructura en las propiedades físicas, propiedades químicas y mecánicas de este material. Una mejor comprensión de la influencia de las interfaces de las propiedades de material nanoestructurado. Deben ser tomados en cuenta para la aplicación y construcción ya se de nanoparticulas o nano materiales, para su posible aplicación al tratamiento de cáncer u otra enfermedad. Se debe desarrollar conceptos para los materiales nanoestructurados y en particular su elaboración.

La transferencia de tecnologías desarrolladas en las aplicaciones industriales, incluyendo la desarrollo de la escala industrial de los métodos de síntesis de nanomateriales y

sistemas nanoestructurados.

Es un enorme paso que ha dado la tecnología en el desarrollo de partículas muy pequeñas para el tratamiento del cáncer, siendo muy beneficioso ya que si se siguen desarrollando y mejorando los nanomateriales, el tratamiento será directo y no afectaría otros órganos y sistemas del organismo ya sea por su tamaño entre otras peculiaridades la nanomedicina cambiaria el concepto de tratamiento.

Referencias

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• [22] www.cancer.gov

Autor:

Pinguil Sánchez Diego Alejandro

Universidad Politécnica Salesiana – Ingeniería Electrónica – Electrónica Analógica II

Cuenca – Ecuador