RESUMEN
El desarrollo de la bioingeniería a permitido una mejor relación entre la ingeniería y la ciencias biológicas, ha sido un paso muy grande que ha permitido el desarrollo de un sin número de soluciones a problemas biológicos del ser humano y en general de los seres vivos, el presente estudio del arte se centra en el desarrollo de la nanotecnología en la actualidad.
La nanotecnología es un nuevo mundo que está en pleno desarrollo, la nanotecnología puede ser aplicable en muchos diferentes campos, en este caso nos centraremos en la aplicación o desarrollo de la nanotecnología en la medicina, pudiendo darnos cuenta que muchos de estos estudios permitirán mejorar la vida del ser humano en general partiendo del desarrollo tecnológico y las ciencias químicas con el fin de encontrar cura para muchas enfermedades.
ABSTRACT
The development of the bioingeniería had allowed a better relationship between the engineering and the biological sciences, it has been a very big step that has allowed the development of a without number of solutions to the human being's biological problems and in general of the alive beings, the present study of the art is centered at the present time in the development of the nanotecnología.
The nanotechnology is a new world that this in the middle of development, the nanotechnology can be applicable in many different fields, in this case will center ourselves in the application or development of the nanotechnology in the medicine, being able to realize that many of these studies will allow to improve the human being's life in general leaving of the technological development and the chemical sciences with the purpose of finding cure for many illnesses.
DESARROLLO
La IEEE define la Bioingeniería como "la ciencia que estudia y busca la aplicación de principios y métodos de las ciencias exactas, en general, y de la ingeniería, en particular, a la solución de problemas de las ciencias biológicas y médicas". Es decir, la
Bioingeniería estudia el comportamiento normal de los diferentes sistemas que conforman el cuerpo humano.[18][19][26]
La nanotecnología consiste en un campo de la aplicación de las ciencias en las cuales se trabaja con partes muy pequeñas, específicamente se trabaja con la mil millonésima parte de algo llegando a tener una medida a nivel de átomos y moléculas de la cual parte la palabra "nano" que nos permite identificar o generar una idea del tamaño de dichas partes que son invisibles al ojo humano, el tamaño de las partículas, dispositivos o como se les quiera llamar a dimensiones manométricas (mil millonésima parte de un metro) permiten trabajar con cualquier tipo de células sin causar ningún tipo de daño.[19][26]
También se puede decir que la nanotecnología es el arte de manipular la materia, átomo por átomo. Un nanómetro (nm) es definido como una milmillonésima del metro. Téngase en cuenta que 10.000 nm es el diámetro de un eritrocito, 1.000 nm el de una bacteria, 100 nm el de un virus, 5–50 nm el de una proteína, 2 nm el del ADN y 0,1 nm el de un átomo [1] [2] [7].
En la figura 1 se puede observar la estructura de un nano_objeto en comparación a un micro_objeto.
Figura 1 descripcion de un micro objeto [21]
La nanotecnología se define en general como "la investigación y tecnología del desarrollo atómico, molecular y macromolecular en la escala de aproximadamente 1 a 100 nanómetros. Empleando en el ámbito de la medicina máquinas moleculares como nano_bots, sondas, sensores y otros avances para tratar problemas médicos [2].
El desarrollo de la nanotecnología y la aplicación de la misma es lo central en las diferentes áreas de las ciencias permitiendo mejorar las propiedades de los materiales, desarrollar dispositivos sumamente pequeños como los antes indicados que nos permitan ahorrar energía, combatir algunas enfermedades relacionadas con el cáncer, entre otras tantas cosas más.
La nanotecnología hoy en día es un campo de interés general para todos nosotros debido a que es una rama de la ciencia en general que se puede aplicar en varios y diferentes campos y que está en desarrollo, es nuestra obligación como futuros profesionales especializados en cada una de nuestras áreas continuar con el desarrollo de la nanotecnología y buscar nuevas aplicaciones que siempre estén en favor del desarrollo del ser humano.
Con la aplicación de la nanotecnología en la medicina se busca el poder detectar células que podrían volverse cancerígenas, se pretende dar un diagnostico anticipado a cualquier paciente con riesgo de la aparición del cáncer a futuro, permitiendo así brindarle un tratamiento preventivo a dicha enfermedad.
La aplicación de la nanotecnología en la medicina con el empleo de los nano_transistores de efecto de campo o nanoFETs que están siendo desarrollados, da la esperanza de encontrar la cura a muchas enfermedades que hoy en día son sinónimo de riesgo y en muchos casos de muerte.
Los micro y nano dispositivos han hecho avanzar el campo gracias a su habilidad para llevar a cabo análisis de alto rendimiento en formato chip.[3]Estos dispositivos fluídicos son capaces de incrementar el número de muestras procesadas y reducir el tiempo requerido para realizar un análisis con una alta sensibilidad y resolución. Además, un instrumento crítico de reconocimiento molecular, el espectrómetro de masa, puede ser integrado en un sistema de sepa-ración basado en un chip microfluídico [4] [7].
La nanotecnología ha proporcionado medios para diseñar sistemas de liberación de fármacos que pueden transportar sustancias químicas más efectivamente y mejorar la liberación del fármaco al objetivo elegido. Los sistemas de liberación pueden ser desarrollados utilizando nano estructuras. Además, nano_estructuras inorgánicas hechas de silicona, nano_partículas metálicas y nano_armazones, y nano_cristales
Las ventajas de estos nano_sistemas son la disponibilidad de una gran área de superficie y la posibilidad de diseñar nano_sistemas multifuncionales. Por ejemplo, las nano_partículas magnéticas son multifuncionales en el sentido de que pueden ser utilizadas como sistemas de diagnóstico al igual que como sistemas de liberación de fármacos dirigidos. Una atractiva aproximación para el diagnóstico, la imagen y el tratamiento consiste en funcionalizar la superficie de las nano_partículas magnéticas y dirigirlas a un tejido específico con la ayuda de un campo magnético de alto gradiente y, entonces, utilizar un pulso de radiofrecuencia para liberar las drogas contenidas en ellas. Asimismo, las nano_partículas magnéticas pueden ser utilizadas como tratamientos hipotérmicos dirigiéndolos a tejidos cancerosos sensibles al calor y entonces destruir el tejido canceroso mediante la aplicación de un campo magnético AC para calentar las nano_partículas magnéticas [5].
"La relación entre medicina y nanotecnología se está convirtiendo en una solución para el cáncer. El combate de la enfermedad a escala molecular permite detectar precozmente la enfermedad, identificar y atacar de forma más específica a las células cancerígenas. Por lo cual el Instituto Nacional del Cáncer de Estados Unidos (NCI) ha puesto en marcha la "Alianza para la nanotecnología en el cáncer", un plan que incluye el desarrollo y creación de instrumentos en miniatura para la detección precoz. En la administración de medicamentos, las nuevas técnicas son ya un hecho. "Los nano_sistemas de liberación de fármacos actúan como transportadores de fármacos a través del organismo, aportando a estos una mayor estabilidad frente a la degradación, y facilitando su difusión a través de las barreras biológicas y, por lo tanto el acceso a las células diana", [4] María José Alonso, investigadora de la Universidad de Santiago de Compostela, que trabaja en el desarrollo de la nanotecnología aplicada a la medicina desde 1987. En el tratamiento del cáncer, asegura, "estos nano sistemas facilitan el acceso a las células tumorales y reducen la acumulación del fármaco en las células sanas y, por tanto, reducen los efectos tóxicos de los antitumorales".[7] Desde Estados Unidos, el nano_tecnológo James Baker ha desarrollado otra alternativa basada en unas moléculas artificiales conocidas como dendrímeros. Se trata de estructuras tridimensionales ramificadas que pueden diseñarse a escala nano_métrica con extraordinaria precisión.
Los dendrímeros cuentan con varios extremos libres, en los que se pueden acoplar y ser transportadas moléculas de distinta naturaleza, desde agentes terapéuticos hasta moléculas fluorescentes. En su estudio, Baker aplicó una poderosa medicina contra el cáncer, metotrexato, a algunas ramas del dendrímero. En otras, incorporó agentes fluorescentes, así como ácido fólico o folato, una vitamina necesaria para el funcionamiento celular. "Es como un caballo de Troya. Las moléculas del folato en la nano_partícula se aferran a los receptores de las membranas celulares y éstas piensan que están recibiendo la vitamina. Al permitir que el folato traspase la membrana, la célula también recibe el fármaco que la envenena". Las enfermedades infecciosas son otro de los grandes objetivos de la medicina actual. Se encuentra en nano_partículas que permiten administrar, en forma de simples gotas nasales, algunas vacunas que hasta ahora debían inyectarse. Su eficacia ha sido demostrada, hasta el momento, para las vacunas anti-tetánica y anti-diftérica. La diabetes es otro objetivo de la nanotecnología. Las nano_partículas desarrolladas por María José Alonso, investigadora de la Universidad de Santiago de Compostela, y su equipo están siendo utilizadas en experimentos en la clínica para estudiar su uso como vehículos para administrar insulina por vía oral, nasal o pulmonar. Por su parte, la doctora Tejal Desai, profesora de bioingeniería en Boston, ha creado un dispositivo que puede ser inyectado en el torrente sanguíneo y actuar como páncreas artificial, liberando insulina. La técnica desarrollada por esta investigadora consiste en encapsular células que producen la insulina en contenedores con paredes con nano_poros, que por su tamaño sólo pueden ser atravesados por moléculas como el oxígeno, la glucosa o la insulina. De esta forma, las paredes de la cápsula impiden que estas células productoras de insulina sean reconocidas como extrañas por los anticuerpos, mientras que los poros permiten la liberación de la insulina y la entrada de nutrientes, como azúcares y nutrientes. La innovadora técnica tiene potencial para la cura de otras enfermedades tales como la enfermedad de Parkinson, por medio de la liberación de dopamina en el cerebro, o el Alzheimer" [9][17][24][25].
En la figura 2 se puede observar nano_particulas transportando fármacos a las células dianas
Figura2 nano_particulas transportadoras[19]
Las aplicaciones futuras en la cuales se ve mayor adaptación de la nanotecnología son la producción agrícola, procesamiento de alimentos, tratamiento y depuración de aguas, monitorización de la salud, diagnóstico de enfermedades, sistemas de administración de fármacos, remediación de la contaminación atmosférica, detección y control de plagas, control de desnutrición en lugares pobres, construcción, almacenamiento, producción y conversión de energía, informática, armamento y sistemas de defensa, entre muchas áreas mas que están en proceso de investigación [2][7][8].
En la figura 3 se puede observar un esquema grafico de la liberación de fármacos con nanosistemas
Figura 3 liberación de fármacos [21]
También se busca aplicarla en la medicina humana con la elaboración de pequeños sensores capaces de detectar la existencia anticipada de células cancerígenas o de enfermedades como el SIDA a partir de nuestra sangre o un poco de saliva, facilitando la aplicación de tratamientos más efectivos. [8][9][24]
Los Nanotubos de carbono han sido utilizados para transportar moléculas que bloquean el VIH dentro de células humanas. Aunque este procesoes un proceso que está en estudio, el descubrimiento podría conducir a nuevos tratamientos contra el virus [10].
También se encuentran en estudio la obtención de biomateriales, resultantes de aleaciones de Ni-Ti con miras a ser usados en todo lo que se relaciona al sistema óseo, permitiendo corregir lesiones producidas en la columna vertebral o incluso para un uso más básico como las prótesis en todo lo relacionado a la odontología.[8][11]
Pero así como existen beneficios y áreas de aplicación abundantes también el empleo de la nanotecnología puede producir diferentes riesgos como es el caso de la toxicidad debido a las nuevas clases de nano sustancias que podrían afectar al buen desempeño de las células y que podríandesestabilizar el desempeño del sistema inmunológico [8].
Uno de los riesgos más potentes o al que se debe temer es el empleo de la nanotecnología en el desarrollo de armas biológicas por parte de los militares, capaces de tener un fuerte efecto sobre los seres vivos en general, lo cual nos llevaría a la auto destrucción. La electrónica molecular podría ser empleada para desarrollar materiales mejorados para construcción de armas, reducción en el tamaño de los equipos de espionaje que podrían volverse indetectables [8].
Los sistemas empleados en la nano_medicina incluso con su capacidad de imitar el tamaño y función de los sistemas moleculares y celulares, en la mayoría de los casos se desconoce la reacción del cuerpo humano a los mismos, ya que los materiales construidos a escalas manométricas tienen propiedades físicas, químicas y biológicas diferentes a los de los mismos compuestos a escalas normales. [12],[13],[16] Por ejemplo: una partícula de 30 nm tiene un 5% de átomos en la superficie, porcentaje que aumenta al 20% en una de 10 nm y al 50% en una de 3 nm.[17][16], lo cual podría producir afecciones alas diferentes membranas celulares o incluso podría afectar al ADN. [12][13][14][15][16].
En la actualidad esta área de la bioingeniería está en pleno desarrollo con mayor fuerza debido a que dentro del estudio de este tipo de aplicaciones antes descritas se pudo encontrar un sin número de aplicaciones para este nuevo tipo de tecnología que en el futuro y al ritmo en el que se desarrolla presentara muy buenos resultados con el fin de mejorar la calidad de vida del ser humano.
CONCLUSIÓN
La bioingeniería es un campo muy amplio de la ciencia la cual abarca una gran cantidad de áreas muy importantes cada una las cuales buscan mejorar la calidad de vida de cada ser vivo en general, como lo he dicho antes el desarrollo de este campo que combina diferentes ciencias denominado bioingeniería es un gran avance en todo tipo de áreas tanto en la medica como en la electrónica.
La nanotecnología es un campo de desarrollo a través de las cuales se buscan soluciones a las necesidades del ser humano, dicha solución tardara en llegar debido a los diferentes procesos que conlleva el desarrollo de las nuevas tecnologías, la nanotecnología puede aplicarse un muchos diferentes campos y en cada uno de ellos facilita el desarrollo de nuevas soluciones a los diferentes problemas de hoy en día como es el caso de desarrollo de pequeños transistores de efecto de campo que están en las escalas de los nanómetros los cuales permiten el monitoreo de las células, el desarrollo de pequeños dispositivos capaces de suministrar fármacos directamente en las células dañadas si afectar a otra y en la medida y tiempo adecuado, también se están desarrollando células con las cuales se puede mejorar la producción de alimentos sin que estos afecten la salud del ser humano y mediante las cuales se pueda reducir el uso de los diferentes tipos de químico, en si la nanotecnología en cualquier área en l al cual sea aplicada nos beneficia, pero hay que tomar en cuenta que en todo existen riesgos y el empleo de esta nueva tecnología no es la acepción y antes de aplicarla a todos se deben realizar pruebas y mejoramientos de los modelos ya propuestos y existentes.
REFERENCIAS
[1] Cintas Izarra1 LM. 2006. Nanotecnología: la revolución industrial del siglo XXI .Online: http://weblogs.madri-masd.org/alimentacion/archive/2009/03/29/37553.aspx.
[2]Feneque J. 2003. Brief introduction to the veterinary appli-cations of nanotechnology .Nanotechnology Now. On line: http://www.nanotech–now.com/ Jose–Feneque/Veteri– nary–Applications–Nanotechnology.htm.
[3]Tudos AJ, Besselink GJ, Schasfoort RB. Trends in minia-turized total analysis systems for point-of-care testing in clinical chemistry. Lab Chip 2001; 1: 83-95.
[4]Figeys D, Lock C, Taylor L, Aebersold R. Microfabricated device coupled with an electrospray ionization quadrupo-le time-of-flight mass spectrometer: protein identifications based on enhanced-resolution mass spectrometry and tan-dem mass spectrometry data. Rapid Commun Mass Spec-trom 1998; 12: 1435-1444.
[5]Ferrari M. Cancer nanotechnology: opportunities and challenges. Nat Rev Cancer 2005; 5: 161-171.
[6]Betley TA., Hessler JA., Mecke, A., et al. Tapping Mode Atomic Force Microscopy Investigation of Poly(amidoamine) Core-Shell Tecto (dendrimers) usig carbon nanoprobes: Langmuir 2002:18, 3127-3133.
[7] J A Coppo. Nanotecnología, medicina veterinaria y producción agropecuaria.Cátedra de Fisiología, Facultad de Ciencias Veterinarias, UNNE.
[8]Waldner JB. 2008. Nanocomputers and swarm intelligen-ce , Wiley & Sons, London, p.172.
[9] Lerner B, Pérez M. 2009. Nanotecnología: en Argentina se desarrolla un detector temprano de cáncer . Diario Hoy (La Plata, Argentina), marzo 14, p. 6.
[10]Carlevaro M. 20 07. Nanotubos contrabandean moléculas anti–HIV dentro de células .CienciaNet. On line: http:// ciencianet.com.ar/art–culos/nanotecnolog.
[11] Instituto Nacional de Tecnologia Industrial (INTI). 2007. Nanotecnología.
[12]Kagan VE, Bayir H, Shvedova AA. Nanomedicine and nanotoxicology: two sides of the same coin. Nanomedicine 2005; 1: 313-316.(49)
[13] Gwinn MR, Vallyathan V. Nanoparticles: health effects: pros and cons. Environ Health Perspect 2006; 114: 1818-1825.
[14]Nel A, Xia T, Madler L, Li N. Toxic potential of materials at the nanolevel. Science 2006; 311: 622-627
[15]Shetty RC. Potential pitfalls of nanotechnology in its applications to medicine: immune incompatibility of nanodevices. MedHypotheses 2005; 65: 998-999.
[16] CLAVIJO GRIMALDI, DIANNEY; GARCÍA MORÁN, GRÉGORY ALFONSO; MEJÍA MEJÍA, ÓMAR; RUIZ, ASTRID; GARCÍA CARDONA, ANANÍAS; CASADIEGO TORRADO, CIRO ALFONSO; VITTORINO MEJÍA, MARIO La frontera entre la Biología molecular y la Nanotecnología: impacto en la Medicina Iatreia, vol. 20, núm. 3, septiembre, 2007, pp. 297-307 Universidad de Antioquia Colombia
[17]Nanotecnología. Nanociencia. Nanotecnología y Medicina. Web page: www.portalciencia.net/nanotecno/nanomedicina.html
[18]Introduccion a la Bioingenieria/Serie:Mundo Electronico/MARCOMBO S.A
[19]Bioingeniería/ Solución a problemas de las ciencias biológicas y médicas apoyados en la Ingenierí/ Ingrid Oliveros Pantoja*,Roque Hemández Donado**
[20]Las posibilidades de aplicación de las nanotecnologías al diagnóstico in vitro/ Juan E. Riese Jordá/ UIMP 17.8.2006
[21]Nanotecnología aplicada a la medicina/ Dra. Maríaa. Annunziato Médico internista-infectólogo Médico adjunto de Bandesir
[22]NANOBIOTECNOLOGIA/ Cluster da Nanotecnologia / Susana Armário /Examinadora de Patentes /Lisboa, 31 de Outubro de 2011.
[23] Lee KB, Solanki A, Kim JD & Jung J (2009)
Nanomedicine: Dynamic integration of nanotechnology with biomedical science.
[24]Lockman PR, Mumper RJ, Khan MA & Allen
DD (2002) Nanoparticle technology for drug delivery across the blood-brain barrier. Drug Dev. Ind. Pharm. 28: 1–13.
Lutolf MP & Hubell JA (2005) Synthetic biomaterials as instructive extracellular
microenvironments for morphogenesis in tissue engineering. Nature Biotech. 23:
[25] Nanobiotecnología y nanomedicina/ Paula Bergero/ Reseña del artículo Nanotecnología, hacia un nuevo portal científico-tecnológico.
[26] Impact of Nanotechnology on Biomedical Sciences: Review of Current Concepts on Convergence Of Nanotechnology With Biology
Herbert Ernest and Rahul Shetty
Autor:
Luis Antonio Cuzco Torres
luiscuzco[arroba]hotmail.com