Introducción
El prefijo nano deriva de la palabra griega diminuto. Un "nanómetro" (Nm) equivale a la milmillonésima parte de un metro. Para comprender la escala de lo que se está hablando es preciso comparar los tamaños de cosas de las que es muy común hablar, un cabello por ejemplo tiene unos 80000 Nm de ancho, un glóbulo rojo 7000 Nm de ancho, el tamaño de algunas moléculas como las proteínas puede ser de un nanómetro, pero los átomos suelen tener tamaños inferiores a un nanómetro. (1) En 1959 el físico Richard Feynman, ganador del premio Nobel de Física (1965) en su discurso titulado En el fondo hay espacio de sobra, hizo referencia a las posibilidades de la nanociencia, basadas en tecnologías aplicadas a esta reducida escala, pero no fue sino hasta 1974 que el termino nanotecnología se utilizo, cuando Norio Taniguchi, investigador de la universidad de Tokio, diseño materiales, a escala manométrica. El interés principal fue la creación de pequeñas estructuras capaces de cumplir funciones electrónicas, fue entonces cuando aparecieron los chips de silicio. En estados unidos la empresa de tecnología y sistemas IBM utilizo en los 70´s una técnica denominada litografía por haz de electrones para la construcción de nanoestructuras y dispositivos de 40 y 70 Nm A partir del año 2000 en los estados unidos se estableció la iniciativa nacional de nanotecnología (NNI) para patrocinar la investigación a escala nano, esta tuvo aplicación o fue acogida por áreas como la industria, fabricación de materiales, sistemas, biología, industria alimentaria, y también la medicina. Al incentivar la investigación nanotecnológica también ha crecido el número de patentes a lo largo de los años pues para 1995 se tenían unas 531 patentes y en 2001 ya se había cuadriplicado el numero hasta lograr unas 1976, se estima que actualmente el numero de patentes sigue creciendo a la misma medida que los avances logrados en las diferentes áreas de aplicación.
Aplicaciones
La nanotecnología no debe subestimarse frente a la aplicación en medicina, no es una simple herramienta, pues es utilizada para vigilancia, reparación, construcción y control de sistemas biológicos a nivel molecular, utilizando nanodispositivos y nanoestructuras artificiales. También se utiliza para diagnostico, terapia y dosificación de medicamentos. (1).
Farmacéutica
Durante las dos últimas décadas las comunidad científica encargada de actividades farmacéuticas se ha preocupado por mejorar el diseño para la administración de los fármacos, así como también disminuir la frecuencia y las dosis con el fin de darle más comodidad a los pacientes. La farmacocinética de los péptidos y proteínas fácilmente degradables, que cuentan con una vida media corta, es una herramienta estratégica para el competitivo mercado de la industria farmacéutica, ya que puede utilizarse para empaquetar medicamentos clásicos, luego de que las patentes expiren, de esta manera se garantiza la entrega del medicamento en su diana y se tiene una ventaja frente al mercado de los genéricos. (1) sin embargo el empaquetamiento de los medicamentos con péptidos, tiene algunas desventajas; ya que la vía oral es el método preferido para la administración de fármacos, se debe tener en cuenta el pH acido del estomago que deteriora fácilmente péptidos, además la pérdida del medicamento por parte de las reacciones que se dan en el hígado, y la resistencia ejercida por el intestino lo que puede destruir o reducir la absorción de las macromoléculas, todo eso resulta como uno de los obstáculos para la aplicación de esta herramienta en farmacéutica.(1) En cuanto a inmunización se ha demostrado que las células M en las placas de peyer del intestino delgado, son capaces de encapsular en microparticulas antígenos para la vacunación contra varias enfermedades (1); se ha demostrado la captación de acido poli (D,L-lactico-coglicolico) PLGA, por nanoparticulas dendríticas en células dendríticas y macrófagos en condiciones in vitro. La internalización de las nanoesferas en los macrófagos indico relación en la activación de respuesta inmune por células T. (1)
Terapia génica
En el tratamiento de enfermedades se ha introducido un nuevo mecanismo para la prevención y tratamiento, se trata de la muy nombrada terapia génica, su principio es el cambio por medio de inserciones y/o sustituciones de genes defectuosos, responsable del desarrollo de la enfermedad; un gen anormal puede ser canjeado por uno funcional a través de recombinación homologa o reparado a través de mutación inversa selectiva que permite devolver al gen su función normal. (1).Para la introducción de los genes se han implementado tres estrategias principalmente: los vectores virales, los cuales resultan sumamente controversiales, principalmente por la posibilidad de una reversión a la forma infectiva y patógena; también se puede hacer la introducción del material genético por medio de microinyección directa al tejido, y vectores no virales para los que se implementa nanotecnología en la construcción de nanoparticulas que pueden ser de gelatina o de fosfato de calcio u otros biomateriales inorgánicos como carbono de apatita (muy eficiente para la entrega de material genético), liposomas y dendrimeros. (1, 2).
Los principales usos que se le han dado a la nanoparticulas de carbono están en la industria automotriz para la producción de neumáticos y llantas; algunos usos más sofisticados están la construcción de nanotubos utilizados en ingenierías, química y biología celular.
En el campo de la neurociencia se ha estado utilizando un material el fullenerol que resulta de un hidroxilo funcionado con fullereno (C60), la tercera forma más estable después del diamante y el grafito; se han realizado ensayos tanto in vitro como in vivo para evaluar su capacidad neuroprotectora, para lo que resulta muy eficiente (2). Sin embargo se ha encontrado actividad citotoxica para las células endoteliales de la vena umbilical, en las que genera una inhibición de la adhesión y crecimiento celular, tras ocho días de estar en contacto con este tipo de nanoparticulas (3) ; convirtiéndose este en un ejemplo para demostrar como un biomaterial puede generar diferentes respuestas en el organismo, es por esto que la elección de materiales nano estructurados resulta una tarea trivial en el campo de las ciencias biomédicas y más aun cuando se pretende utilizar estos biocompuestos en neurociencia donde los procesos biológicos son tan cruciales como sucede con el SNC donde se compromete cerebro y medula espinal. (3,4).
Los dendrimeros son vectores poliméricos que se ramifican entorno a un núcleo central su tamaño varia alrededor de los 10nm, su tamaño, arquitectura y composición química pueden ser controladas con precisión, Para su construcción se pueden utilizar polímeros como poliésteres y poliaminas, pero se prefiere la poliamidoamina por su estabilidad disponibilidad y tolerancia (5); los dendrimeros resultan ser una plataforma muy atractiva como vehículo para la entrega de fármacos, de los cuales es posible insertar múltiples moléculas en un mismo dendrimero, además su degradación se puede realizar de una manera controlada por medio de la despolimerización, lo que permite a la vez la liberación del fármaco que ha sido empaquetado en su estructura. Aunque aún no ha sido posible utilizarlos clínicamente, Jain y sus colaboradores han estado realizando ensayos utilizando micelas-artemether dendríticas para el tratamiento de cepas multiresistentes de malaria con lo que ha sido posible aumentar unas quince veces la solubilidad del fármaco y su estabilidad. Los dendrimeros también se han utilizado en la quimioterapia contra el cáncer como vehículos para fármacos como doxorubicina, fluoruroacilo, etoposido y paclitaxol. Se ha utilizado metotrexato contenido en dendrimeros de poliamidoamina combinado con acido fólico con fines de orientación, con lo que se ha logrado reducir el crecimiento de tumores humanos KB que sobreexpresan el receptor de acido fólico en ratones (4). Esto permite dar cuenta de la utilización de dendrimeros en el tratamiento de diversas enfermedades, a pesar de que la segunda generación de este tipo de vectores, los cuales están recubiertos por polímeros hidrófilos como polietilenglicol (PEG) no ha sido aprobada por la FDA, existen múltiples ensayos clínicos en los que se implican este tipo de nanovectores especialmente en tratamientos contra el cáncer.
Los liposomas son pequeñas moléculas artificiales esféricas producidas a partir de fosfolipidos naturales no tóxicos o colesterol, estas moléculas resultan muy útiles en terapia génica por su capacidad para atravesar las bicapas lipidicas y membranas nucleares (1). Uno de los métodos más estudiados en la entrega por vehículos submicronicos en los que una capa lipidica envuelve a manera de cascara un núcleo de una molécula terapéutica o de genes. Los nanoliposomas además se han utilizado en la industria alimenticia, en la cual los utilizan para encapsular suplementos alimenticios, son preferidos gracias a sus propiedades hibroba-hidrofila, por medio de esta característica permiten la entrega y liberación tanto en ambientes polares (solubles en agua) como apolares (lípidos) (6). En cuanto a la encapsulación de moléculas benéficas para medicina preventiva como los antioxidantes se tiene la utilización de archeosomas, que son liposomas producidos a partir de archeobacterias que son termoestables y resistentes al estrés lo que los hace candidatos ideales para la protección de este tipo de moléculas. (6). Para la administración oral de péptidos, proteínas y ADN necesarios en terapia génica se han utilizado nanoquelatos que posee una estructura multicapa que genera una capa solida lipidica enrollada en espiral, esta tipo de topología deja muy poco espacio intermedio acuoso, son muy resistentes a la degradación en el tracto intestinal. Estos son algunos de los usos que se le ha dado a los tres principales grupos de vectores implementados en terapia génica.
Cirugía y regeneración de tejidos
Otro de los campos en los que la nanotecnología también tiene aplicación es en la cirugía, reconstrucción y recuperación de tejidos. La flexibilidad que ofrece la nanotecnología en sus materiales permite la creación de dispositivos implantables que van desde sensores de presión arterial, bombas de insulina y dispositivos intracraneales (5). Además la nanobiotecnologia ha generado grandes aportes para la mejora de dispositivos de detección y etiquetado de los indicadores de enfermedades, como por ejemplo en la generación de imágenes mejoradas por medio de la utilización del sinergismo entre sondas y marcadores, la combinación de técnicas de diagnostico in vitro in vivo podría llevar a la detección rápida de un tumor, al que se le pueden marcar sus células anormales por medio de nanoparticulas funcionalizadas que reaccionan a estímulos externos, localizando el lugar exacto de la afección y facilitando así los procedimientos en el momento de realizar cirugía la cual podría realizarse por medio de calentamiento de las partículas con un laser, campos magnéticos, microondas etc. Con la ventaja de no generar una mayor invasión en el cuerpo humano (7).
Diagnostico y tratamiento de enfermedades
También en cuanto al diagnostico de enfermedades la nanotecnología ofrece beneficios, un ejemplo es el desarrollo de una pluma nanoestructurada que recoge proteínas y células por adhesión superficial, lo cual se hace mediante el uso de una pluma endoscópica que se introduce al cerebro, esto con el fin de determinar si un tumor es benigno o maligno, con esta técnica se facilita el diagnostico de uno de los canceres más difíciles de dictaminar (7).
Otros avances encontrados para el diagnostico y tratamiento del cáncer son las nanoparticulas de oro que pueden ser utilizadas para el suministro de información de imágenes y de drogas tales como sensores en vivo, agentes de semiconductores fotoactivos para los potenciadores ópticos de imagen, contraste para las imágenes TAC, rayos X, amortiguadores en los sitios del tumor, y portadores de radicales libres de generación de productos químicos en los sitios del tumor, sin embargo la nanoparticulas de oro son toxicas. Las nanoparticulas de plata son utilizadas para el revestimiento de catéteres, los cuales no son tóxicos y tienen la ventaja de ser anti-bacterianos también se usan para el mejoramiento en la curación de heridas. Los liposomas como ya se menciono anteriormente han sido utilizados en terapia génica y farmacéutica para la entrega de material genético, péptidos, proteínas y medicamentos (8).
El magnetismo de la ingeniería del oxido de hierro ha permitido crear nanosondas que se conjugan con anticuerpos lo que aumenta la sensibilidad de la resonancia magnética nuclear (RM) y de esta manera es posible mejorar la detección de marcadores tumorales. El oxido de hierro también ha sido combinado con calmodulina una proteína a base de nanoparticulas de calcio, los indicadores de calcio se utilizan en resonancia magnética nuclear, para la generación de imágenes funcionales a nivel molecular de las redes de señalización biológica en sistemas vivos (8).
Los nanodiamantes son agentes muy atractivos para su utilización en ciencias biológicas, debido a su compatibilidad con nanoparticulas de carbono, su estabilidad frente a la fotoluminiscencia, facilidad de purificación, disponibilidad comercial y mínima toxicidad. Pueden ser conjugadas y fusionadas con gran variedad de biomoleculas para la administración de fármacos, agregarciertos grupos funcionales a nanodiamantes puede mejorar susolubilidad, dirigirlos a sitios de unión específicos en las células diana ytejidos, y reducir sus efectos sobre los tejidos normales. Como con la mayoríananomateriales, los nanodiamantes se pueden preparar por modificación covalente y no covalente para absorber o insertar una variedad de grupos funcionales y fracciones complejas, como las proteínas y el ADN. La variedad de funcionalizaciones que se puede unir a los nanodiamantes amplía el alcance de sus posibilidades de diagnóstico y aplicaciones terapéuticas (8).
Además del cáncer existen otras enfermedades que están catalogadas por la organización mundial para la salud como las que más muertes generan, las enfermedades causadas por parásitos también requieren atención, es por esto que la nanotecnología también se ha encaminado a desarrollar técnicas para el tratamiento de este tipo de enfermedades, últimamente se ha utilizado nanoparticulas de plata para el tratamiento de la filariasis, las nanoparticulas de plata están dotadas de potencia antibacteriana e inducen la apoptosis en células eucariotas, por lo que se realizo un estudio para evaluar la eficacia de las nanoparticulas de plata como microfilaricida, el estudio fue realizado evaluando la motilidad en azul de tripan de microfilarias de la especie Brugia malayi, los resultados obtenidos a partir de la investigación fue una disminución importante en la motilidad de las microfilarias y una relación de las partículas de plata con la muerte apoptotica de los parásitos (9).
Industria de alimentos
La industria alimenticia resulta una de las áreas más influyentes en la salud humana pues dependiendo de los procesos que se dan en las diferentes etapas de producción de alimentos, puede verse afectada la salud de la sociedad. En la etapa agrícola que se da en el campo los alimentos pueden resultar infectados por una gran variedad de agentes patógenos, y es en la etapa de procesamiento en la que se debe garantizar que estos alimentos estén libres de patógenos de esta manera se evitan enfermedades y además se certifica que los alimentos que contenga nanoparticulas para la entrega especializada de algún producto no vayan a sufrir procesos de degradación. Para tal fin se han implementado nanocompuestos de polímero como barrera para la protección de la suciedad o el polvo, el oxígeno, la luz, microorganismos patógenos, humedad, y una variedad de otras sustancias destructivas o perjudiciales. Los envases deben ser seguros, biodegradables, reciclables, y capaces de resistir condiciones extremas, por esta razón es muy difícil conseguir un material que cumpla con todos estos requisitos. Aunque los polímeros han sido utilizados tradicionalmente y han revolucionado la industria alimentaria, presentan la desventaja de ser permeables a los gases y otras moléculas pequeñas. Se tiene una gran cantidad de polímeros tradicionales pero todos presentan limitaciones frente a la protección de los alimentos. Los nanocompuestos poliméricos son lo mas actual para darle solución a todas las limitaciones que los polímeros tradicionales presentan. Los nanocompuestos poliméricos son creados mediante la dispersión de una carga inerte, en nanoescala a lo largo de una matriz polimérica, los materiales de relleno pueden incluir arcilla, silicato de sílice, nanotubos de carbono, nanocristales de fécula de celulosa, nanoparticulas de quitina o quitosano. Por medio de estos nuevos materiales se ha mejorado la protección de los envases de los alimentos (10).
Conclusión
Son muchas las aplicaciones que la nanotecnología puede ofrecer a la salud. Por medio de la construcción de diferentes materiales que puedan mejorar los mecanismos e instrumentos para la prevención, diagnostico y tratamiento de enfermedades, por esta razón debe fomentarse la investigación en nanotecnología pues en el entendimiento de los procesos a la menor escala posibles puede estar la solución a muchas enfermedades que actualmente agobian nuestra sociedad.
Referencias bibliográficas
1S.K. Sahoo, S. Parveen, J.J. Panda. The present and future of nanotechnology in human health care. Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine 3 (2007) 20- 31.
2 K.K. Jain. Nanomedicine: Application of Nanobiotechnology in Medical Practice. Med Princ Pract 2008;17:89-101
3 Won Hyuk Suh , Kenneth S. Suslick , Galen D. Stucky , Yoo-Hun Suh. Nanotechnology, nanotoxicology, and neuroscience. Progress in Neurobiology 87 (2009) 133-170.
4 J. H. Sakamoto et al. Enabling individualized therapy through nanotechnology. Pharmacological Research 62 (2010) 57-89
5 B Asiyanbola et al. For the Surgeon: An Introduction to Nanotechnology. Journal of Surgical Education • Volume 65/Number 2 • March/April 2008
6 H Bouwmeester et al. Review of health safety aspects of nanotechnologies in food production. Regulatory Toxicology and Pharmacology 53 (2009) 52-62
7 P. Boisseau et al. Nanomedicine, nanotechnology in medicine. C. R. Physique 12 (2011) 620-636.
8 B. Kateb et al. Nanoplatforms for constructing new approaches to cancer treatment, imaging, and drug delivery: What should be the policy?. NeuroImage 54 (2011) S106-S124
9 S. K Singh et al. Novel microfilaricidal activity of nanosilver. International Journal of Nanomedicine 2012:7 1023-1030
10 Timothy V. Duncan. Applications of nanotechnology in food packaging and food safety: Barrier materials, antimicrobials and sensors. Journal of Colloid and Interface Science 363 (2011) 1-24
Autor:
Buitrago Cardona Alexandra1