Nanomedicina por Dr. Robert A. Freitas Jr.

Nota de los editores: El documento original del Dr. Freitas incluye gran cantidad de gráficos, tablas y estadísticas que, por razones técnicas, no podían incluirse en esta versión impresa. Toda esa información junto con una versión ampliada de este artículo puede consultarse gratuitamente en inglés en la dirección de Internet:

Parece más que probable que los mayores avances en la detención del envejecimiento biológico y en la prevención de la muerte natural provengan de la biotecnología y de la nanotecnología, es decir, de la nanomedicina. La nanomedicina se define, de forma simple y general, como la preservación y mejora de la salud humana utilizando herramientas moleculares y el conocimiento del cuerpo humano a nivel molecular [1].

Las herramientas moleculares nanomédicas pronto incluirán materiales biológicamente activos con estructuras nanométricas perfectamente definidas, tales como dispositivos constituidos por dendrímeros orgánicos y fármacos de fullerenes y nanotubos orgánicos. Deberíamos ver también cómo las terapias génicas y la ingeniería tisular se van generalizando en la práctica médica, contribuyendo a la extensión de la vida en las edades más avanzadas.

A medio plazo, en los próximos 5 ó 10 años más o menos, el conocimiento obtenido a partir de la genómica y la proteómica hará posible: a) nuevos tratamientos a medida del paciente; b) nuevos fármacos contra patógenos cuyos genomas se hayan decodificado; c) tratamientos con células madre para reparar tejidos dañados, reestablecer funciones o ralentizar el envejecimiento; y d) robots biológicos hechos de bacterias y otras células móviles cuyos genomas hayan sido remodelados y reprogramados. También podríamos ver dispositivos orgánicos artificiales que incorporen motores biológicos o estructuras de ADN autoensambladas orientadas a una gran variedad de aplicaciones médicas. Es posible también que veamos los primeros tratamientos antienvejecimiento dirigidos a combatir las 7 formas específicas de daño celular provocados por patologías conducentes a la muerte natural, tal como describe Aubrey de Grey y sus colaboradores [2], a pesar de que aún existen algunos obstáculos institucionales para avanzar a través de este enfoque convencional [3].

A largo plazo, tal vez en los próximos 10 ó 20 años, deberían empezar a aparecer los primeros frutos de la nanorobótica molecular en el campo médico. Precisamente, mi trabajo teórico en nanomedicina se ha centrado en la nanorobótica médica utilizando diamantoides y nanocomponentes. Aunque es el campo más teórico y lejano, supone una gran promesa para la salud y la extensión de la vida. Con nanorobótica médica se podrán realizar, en tiempo real, reparaciones internas específicas de células individuales, eliminando en gran medida la muerte biológica natural.

Por otra parte, es bien conocido el trabajo teórico de Drexler y Merkle, donde se incluye un impresionante compendio de rodamientos, engranajes y otras partes de nanorobots. Los químicos computacionales del California Institute of Technology, lograron simular el que podría considerarse el diseño más complejo: una bomba nanométrica de neón de unos 6.000 átomos [5]. El dispositivo podría servir tanto como bomba de átomos de neón (si se mueve hacia atrás) o como motor para convertir la presión del neón en energía de rotación. Los investigadores observaron en las simulaciones dinámicas moleculares preliminares que podía funcionar como una bomba, aunque las deformaciones estructurales del rotor podían ser causa de inestabilidad a bajas y altas frecuencias de rotación. El motor no tenía un rendimiento eficiente, pero funcionaba.

El objetivo último de la nanotecnología molecular es desarrollar una tecnología de fabricación capaz de realizar, de forma económica, ordenaciones de átomos con detalle molecular. Construir nanorobots médicos hechos de millones o miles de millones de átomos y lo suficientemente baratos como para resultar prácticos en terapias médicas, requiere un nuevo tipo de tecnología de fabricación. La manipulación molecular será la producción mecanizada definitiva, en términos de precisión y flexibilidad. Para conseguir estos objetivos se han propuesto dos mecanismos principales: 1) ensamblaje posicional programable, incluyendo por ejemplo, la fabricación de estructuras diamantoides utilizando materia prima molecular, y 2) paralelismo masivo de todos los procesos de fabricación y ensamblaje.

A medida que las estructuras se vuelven más complejas, hacer que las partes se autoensamblen de forma espontánea en la secuencia adecuada es cada vez más complicado. A la hora de construir estructuras complejas, tiene más sentido diseñar un mecanismo que pueda ensamblar una estructura molecular por medio de lo que se denomina "ensamblaje posicional", es decir, recoger y emplazar fragmentos moleculares. Un dispositivo capaz de tal ensamblaje posicional a escala molecular trabajaría de forma similar a como lo hacen los brazos de los robots que fabrican automóviles en las líneas de producción de las fábricas de Detroit, o como los robots que introducen a máxima velocidad componentes electrónicos en los circuitos informáticos de Silicon Valley. Por medio del ensamblaje posicional, el robot manipulador toma un elemento, lo lleva a la posición correspondiente y lo instala. El robot repite el procedimiento una y otra vez, con todas las diferentes piezas del proceso, hasta que el producto final queda completamente ensamblado.

Para construir nanorobots duraderos, primero debemos ser capaces de construir componentes diamantoides, de zafiro o de materiales de dureza similar. La adición controlada de átomos de carbono a una superficie creciente en un entramado de cristal diamantoide, recibe el nombre de mecanosíntesis diamantoide [6; 7]. En 2003 propusimos una nueva familia de herramientas mecanosintéticas dirigidas a emplazar pares de átomos de carbono ("dímero" CC) en lugares específicos de una superficie diamantoide creciente [6]. Estas herramientas deberían ser estables en el vacío y capaces de mantener posicionalmente a un dímero CC para la mecanosíntesis diamantoide controlada a la temperatura del nitrógeno líquido, y posiblemente también a temperatura ambiente. La función de una herramienta de colocación de dímeros es posicionarlos y adherirlos con precisión en una estructura diamantoide molecular creciente, y por último retirar la herramienta, dejando el dímero en la estructura. Dímero a dímero se construye una estructura diamantoide precisa y completa molecularmente.

Para que sea práctico, tanto la fabricación de los nanocomponentes como su ensamblaje en los nanorobots, debe realizarse de forma automática y en paralelismo masivo. Debe haber muchas manos trabajando simultáneamente. Sin este paralelismo, habría demasiados átomos por dispositivo (millones/miles de millones) y demasiados dispositivos por ensamblarse (billones). Ya se están desarrollando nuevas tecnologías de ensamblaje posicional paralelo masivo, incluyendo series de manipulación paralelas masivas y sistemas autoreplicantes. Zyvex patentó lo que sería un ejemplo de series de ensamblaje paralelas, llamado "ensamblaje exponencial" [8]. También se han propuesto sistemas autoreplicantes conocidos como "ensambladores moleculares", esto es, máquinas diminutas que podrían fabricar nanorobots con precisión molecular [9].

¿Qué tipo de nanorobots médicos podríamos construir? Y si fuera posible, ¿qué harían? El primer dispositivo simple que diseñé hace 9 años fue el respirocito, un hematíe artificial [10].

Los hematíes naturales transportan oxígeno y dióxido de carbono por el cuerpo humano, y tenemos unos 30 billones de estas células en la sangre. La mitad del volumen sanguíneo corresponde a los hematíes, midiendo unos 3 micrómetros de espesor y 8 de diámetro. El respirocito es mucho más pequeño que un hematíe; tan solo tiene 1 micrómetro de diámetro, más o menos el tamaño de una bacteria. El respirocito es un nanorobot independiente compuesto por 18.000 millones de átomos organizados de una forma muy precisa. A bordo disponen de ordenador y una central energética.

Los represento de color azul porque parte del armazón es de zafiro, una cerámica resistente de átomos de aluminio y oxígeno que resulta casi tan dura como el diamante. Pueden soportar con total seguridad una presión de 100.000 atmósferas, pero siendo conservadores, sólo los hemos expuesto a 1.000. Lo más importante es que disponen de bombas moleculares para cargar y descargar gases de los tanques presurizados. Decenas de miles de bombas independientes, llamadas rotores de clasificación molecular, recubren gran parte del casco del respirocito. Mientras el rotor gira, pueden arrastrarse a las moléculas de oxígeno (O2) o de dióxido de carbono (CO2) al interior o al exterior del respirocito. Hay 12 estaciones de bombeo idénticas a lo largo del ecuador del respirocito, con rotores de oxígeno en el lado izquierdo, rotores de dióxido de carbono en el derecho y rotores de agua en el centro. Los sensores de temperatura y concentración comunican al dispositivo cuándo han de liberar o almacenar gas. Cada estación posee sensores de presión que, mientras el nanorobot sigue en el interior del paciente, recibe mensajes acústicos ultrasónicos de modo que los médicos puedan activarlos, desactivarlos o modificar sus parámetros operativos. En la figura puede apreciarse que la zona sombreada de la izquierda es el tanque de almacenaje de O2, la de la derecha es el de CO2, el punto negro del centro es el ordenador y el volumen abierto alrededor del ordenador puede estar vacío o llenarse de agua. Esto permite al dispositivo controlar la flotabilidad con gran precisión y proporciona un método rudimentario aunque sencillo para extraer al respirocito del torrente sanguíneo por medio de un centrifugador.

Cuando se construyan respirocitos, se podrán usar en víctimas de casos de incendio que hayan sufrido envenenamiento por monóxido de carbono. En una animación [11] documentada de la PBS (Beyond Human), se inyectaron 5 centímetros cúbicos de un fluido con respirocitos en las venas de un paciente. Comprobaron que tras pasar por los pulmones, el corazón y algunas de las arterias principales, los respirocitos inician su camino hacia los vasos más pequeños. Después de unos 30 segundos, llegan a los capilares del paciente y comienzan a liberar oxígeno revitalizante en los tejidos necesitados. En estos tejidos, el oxígeno se bombea desde el dispositivo por medio de los rotores de uno de los lados. El dióxido de carbono se bombea por los rotores del otro lado hacia el dispositivo, pasando una molécula cada vez. Medio minuto después, cuando el respirocito llega a los pulmones del paciente, los mismos rotores invierten la dirección de giro, recargando el dispositivo con oxígeno fresco y deshaciéndose del CO2 almacenado que puede exhalar el propio paciente.

Tan solo 5 centímetros cúbicos de respirocitos, o lo que es lo mismo, una milésima parte del volumen total sanguíneo, pueden duplicar la capacidad de transporte de oxígeno. Cada respirocito transporta varios cientos de veces más moléculas de oxígeno fisiológicamente disponible que la misma cantidad de hematíes. Para hacernos una idea, digamos que la mayor cantidad de respirocitos que se podrían introducir en el organismo, sería de medio litro, lo cual permitiría a una persona aguantar la respiración en el fondo de una piscina durante 4 horas, o esprintar a velocidad olímpica durante 12 minutos sin necesidad de tomar aire.

Otro nanorobot médico que he diseñado más recientemente es el microbívoro, un leucocito artificial [12-15].

Una de las funciones principales de los leucocitos es absorber y asimilar invasores microbianos del torrente sanguíneo. Es lo que se denomina fagocitosis. Los nanorobots microbívoros desempeñarían esa labor pero mucho más rápido, con mayor fiabilidad y bajo control humano. Igual que el respirocito, el microbívoro es mucho más pequeño que un hematíe, pero es más complejo que el respirocito ya que en su construcción se emplea 30 veces más átomos.

El microbívoro es una esfera aplanada con los extremos recortados. Mide unos 3 micrómetros de diámetro en el eje mayor y 2 en el eje menor. Este tamaño asegura que el nanorobot pase a través de los capilares más estrechos del organismo, por el bazo (por ejemplo, a través de las rendijas interendoteliales esplenofenestrales) [16] y cualquier otra parte del cuerpo humano. El microbívoro posee una boca con una especie de puerto de ingestión en la que se introducen los microbios para ser digeridos. También posee una parte trasera o puerto de escape, que es por donde se expulsan los restos de patógeno completamente digeridos. La puerta trasera se abre entre el cuerpo principal del microbívoro y una cola cónica. Dentro del microbívoro hay dos cilindros concéntricos. La bacteria se trocea en pequeños pedazos en la cámara de morcelación, en el cilindro interior más pequeño, y los restos se expulsan hacia la cámara de digestión, al cilindro mayor exterior. En una secuencia preprogramada, a la bacteria se le añaden enzimas digestivos, y luego se extraen por medio de unos rotores selectivos. En sólo 30 segundos, estos enzimas reducen los restos del microbio a productos químicos simples inofensivos tales como aminoácidos, ácidos grasos y azúcares simples, y que luego se expulsan del dispositivo. Un neutrófilo humano, el más común de los leucocitos, puede capturar y engullir un microbio en menos de un minuto, aunque la digestión completa y la excreción de los restos puede prolongarse durante una hora o más.

Pero lo primero que ha de hacer un microbívoro es procurarse un patógeno para poder digerirlo. Si la bacteria adecuada tropieza con la superficie del nanorobot, las zonas prohibidas reversibles del dispositivo la reconocen y la capturan. Una serie de 9 marcadores antigénicos diferentes debería ser suficientemente específica, ya que todos deben reconocer que se ha capturado el microbio correspondiente. Hay 20.000 copias de estas series receptoras de 9 marcadores, distribuidas en 275 zonas con forma de disco, a lo largo de la superficie del dispositivo. Dentro del anillo de receptores hay más rotores que absorben glucosa y oxígeno del torrente sanguíneo para alimentar al nanorobot. En el centro de cada disco receptor hay un silo con una especie de brazo a modo de garfio y cada uno de estos discos tiene un diámetro de 150 nanómetros.

Cuando los receptores reversibles capturan a una bacteria, los garfios telescópicos sobresalen del microbívoro y sujetan a la bacteria atrapada. Estos garfios se forman a partir de un brazo manipulador hermético diseñado originalmente por Drexler [17] para fabricación a escala nanométrica. Este brazo, de unos 100 nanómetros, tiene varias articulaciones rotatorias y telescópicas que le permiten cambiar su posición, ángulo y longitud. Sin embargo, los garfios del microbívoro precisan de un mayor alcance y de un ámbito de movimiento más complejo por lo que disponen de articulaciones adicionales. Tras salir del silo, un brazo-garfio realiza complejos movimientos de rotación, mientras que los adyacentes pueden tocarse entre sí para rechazar los objetos que se adhieren, incluso partículas víricas. Gracias a estos movimientos de los garfios, se puede transportar a una bacteria con forma de varilla desde el lugar que se captura hasta la boca del dispositivo. Los garfios van girando a la bacteria hasta darle la orientación adecuada.

Nuestros leucocitos naturales, incluso ayudados por antibióticos, pueden tardar semanas o meses en limpiar de bacterias el torrente sanguíneo. En comparación y para que veamos como actúan, una única dosis terabot de microbívoros sería capaz de hacerlo en sólo unos minutos u horas, incluso en caso de infecciones localmente graves. Los microbívoros podrían funcionar hasta 1.000 veces más rápido que los leucocitos naturales. Metabolizarían casi 100 veces más material microbiano que un volumen igual de leucocitos naturales, fuera cual fuera el periodo de actuación.

Pero con nanorobots médicos son posibles aplicaciones incluso más poderosas, sobre todo en lo que respecta a la reposición o reparación celular. Por ejemplo, la mayoría de las enfermedades conllevan una disfunción molecular a nivel celular, siendo la expresión génica de las proteínas la que controla significativamente la función celular. Por consiguiente, muchas enfermedades son consecuencia tanto de cromosomas defectuosos como de expresiones génicas defectuosas. En muchos casos resultaría más eficaz extraer los cromosomas existentes de la célula enferma y reemplazarlos por otros nuevos. Este procedimiento se llama "terapia de sustitución de cromosomas".

En este procedimiento, en primer lugar se fabrican los cromosomas de sustitución fuera del organismo con un dispositivo de producción clínica en serie que incluye una línea de ensamblaje molecular. El genoma individual se usa como cianotipo o dato. Si el paciente quisiera, los genes defectuosos adquiridos o heredados se podrían reemplazar con secuencias par-base sin defectos durante el proceso de fabricación de cromosomas, y así eliminar de forma permanente cualquier enfermedad genética, incluyendo condiciones relacionadas con el envejecimiento. Los nanorobots llamados cromalocitos [18], que portan cada uno una copia de los cromosomas modificados, se inyectan en el cuerpo y viajan hasta el tejido correspondiente. A continuación se produce la citopenetración y el tránsito intracelular hasta el núcleo, donde los cromalocitos cambian los cromosomas existentes por los cromosomas desnaturalizados en cada uno de los tejidos celulares del organismo (lo cual requiere una dosis de varios billones de nanorobots), para luego abandonar la célula y el tejido, reincorporarse al torrente sanguíneo y finalmente ser eliminados a través de los riñones.

Decronificación: tratamiento contra la afección llamada muerte natural

El resultado final de todos estos avances nanomédicos dará lugar a un proceso que denomino "decronificación", o más coloquialmente, "dar marcha atrás al reloj". No encuentro problemas éticos serios en esto. De acuerdo con el modelo de enfermedad normativo volitivo más adecuado en nanomedicina [19], si somos fisiológicamente viejos sin quererlo, la vejez y el envejecimiento (y la muerte natural) son enfermedades, por lo que tenemos derecho a que nos curen. La decronificación detendrá primero el envejecimiento, y luego reducirá la edad biológica mediante tres clases de procedimientos en cada una de los 4 billones de células tisulares del organismo.

En primer lugar, se envía un respirocito (o un microbívoro) para que se introduzca en los tejidos y elimine tanto las toxinas metabólicas acumuladas como el material no degradable. Acto seguido estas toxinas volverán a acumularse como lo han hecho durante toda nuestra vida, y posiblemente necesitaremos una limpieza corporal a fondo, probablemente una vez al año, para evitar de nuevo el envejecimiento.

En segundo lugar, la terapia de reemplazo de cromosomas se podrá emplear para corregir el daño y las mutaciones genéticas graves en cada una de las células. Esto se podrá hacer también anualmente o quizás con menor frecuencia.

En tercer lugar, el daño celular y estructural persistente que no pueda reparar la célula por si misma, como el aumento de la mitocondria o su incapacitación, se podrá invertir célula a célula, utilizando dispositivos de reparación celular. Aún nos queda mucho camino hasta lograr modelos teóricos completos para estos dispositivos, pero en teoría parecen posibles. En el momento en que nuestra capacidad de manipulación molecular alcance el grado necesario para comenzar a crear nanorobots médicos, probablemente en los próximos 10 ó 20 años, ya contaremos con buenos modelos de dispositivos de reparación celular.

Como resultado de todo esto, se podrá detener o reducir el envejecimiento biológico hasta la edad biológica que estime el paciente, rompiendo definitivamente la conexión entre el tiempo cronológico y la salud biológica. Estás intervenciones podrían ser habituales en unas cuantas décadas.

Por medio de controles y renovaciones anuales, y algunas reparaciones puntuales, la edad biológica podría fijarse una vez al año en la edad fisiológica que el paciente decidiese. Sólo veo un pequeño inconveniente para volver a la juventud en condiciones óptimas, ya que mantener el organismo en los 10 años fisiológicos ideales podría ser difícil e indeseable por otras razones. Más fácil de mantener y mucho más divertido sería retomar los 20 años fisiológicamente hablando. Esto lanzaría nuestra esperanza de vida hasta los 700 ó 900 años cronológicos. Todavía sería posible morir accidentalmente pero nuestra vida podría multiplicarse por diez.

¿Hasta dónde podemos llevar esto? Bueno, si podemos prevenir el 99% de las enfermedades que nos conducen a la muerte natural [19], nuestra expectativa de vida saludable aumentaría unos 1.100 años. Puede parecer complicado arañar más de un milenio o dos a nuestro cuerpo biológico original porque las muertes por suicidio o accidentes permanecen invariablemente altas en los últimos 100 años, disminuyendo sólo en un tercio durante ese periodo. Pero la victoria final sobre el azote de la muerte biológica natural, que esperamos lograr a finales de este siglo, multiplicará nuestra expectativa de vida saludable al menos por 10 ó 20.

Es de esperar que con los nuevos tratamientos nanomédicos que nos aguardan contra las enfermedades mentales degenerativas, se reduzca enormemente la tasa de suicidios. La nanotecnología también puede mejorar la seguridad total de nuestro entorno cotidiano, por ejemplo, fabricando coches y aviones a prueba de choques y accidentes, construyendo edificios que incorporen dispositivos activos de seguridad. Si además contamos con una nanomedicina avanzada que sea capaz de anticiparse a los traumas graves y solucionarlos, se reducirán enormemente las muertes accidentales. Por último, las modificaciones genéticas y la potenciación nanomédica del cuerpo humano [20] pueden extender la vida hasta un grado que aún no podemos predecir con exactitud.

Referencias

1) Freitas RA Jr; "Section 1.2.2 Volitional Normative Model of Disease," en: Nanomedicine, Volume I: Basic Capabilities, Landes Bioscience (1999); pág. 18–20 http://www.nanomedicine.com/NMI/1.2.2.htm

2) de Grey, AB & Ames, BN & Andersen, JK & Bartke, A & Campisi, J &. Heward, CB & McCarter, RJ & Stock, G; "Time to talk SENS: critiquing the immutability of human aging," en: Annals of the New York Academy of Sciences 959 (2002); pág. 452–462, 463–465 // de Grey, AD & Baynes, JW & Berd, D & Heward, CB & Pawelec, G & Stock, G; "Is human aging still mysterious enough to be left only to scientists?" en: Bioessays 24 (2002); pág. 667–676, Bioessays 25 (2003); pág. 93–95 (discussion) // de Grey, AD; "An engineer"s approach to the development of real anti-aging medicine," en: Sci. Aging Knowledge Environment. 2003 (2003):VP1 // de Grey, AD; "Challenging but essential targets for genuine anti-aging drugs," Expert Opinion Therapeutic Targets 7 (2003); pág. 1–5

3) Miller, Richard A; "Extending life: scientific prospects and political obstacles," en: Milbank Quarterly 80 (2002); pág.155–74 // de Grey, AD; "The foreseeability of real anti-aging medicine: focusing the debate," Experimental Gerontology 38 (2003); pág. 927–934

4) Freitas, Jr. Robert A; "Section 2.4.1 Molecular Mechanical Components," en: Nanomedicine, Volume I: Basic Capabilities, Landes Bioscience (1999), pág. 61–64 http://www.nanomedicine.com/NMI/2.4.1.htm

5) Cagin, T & Jaramillo-Botero, A & Gao, G & Goddard III, WA; "Molecular mechanics and molecular dynamics analysis of Drexler-Merkle gears and neon pump," en: Nanotechnology 9 (1998); pág. 143–152

6) Merkle, Ralph C & Freitas Jr., Robert A; "Theoretical analysis of a carbon-carbon dimer placement tool for diamond mechanosynthesis," en: Journal of Nanoscience and Nanotechnology 3 (2003); pág. 319–324

http://www.rfreitas.com/Nano/JNNDimerTool.pdf

7) Peng, Jinping & Freitas Jr., Robert A & Merkle, Ralph C; "Theoretical Analysis of Diamond Mechanosynthesis. Part I. Stability of C2 Mediated Growth of Nanocrystalline Diamond C(110) Surface," en: Journal of Computational and Theoretical Nanoscience 1 (2004) // Mann, David J & Peng, Jingping & Freitas Jr., Robert A & Merkle, Ralph C; "Theoretical Analysis of Diamond Mechanosynthesis. Part II. C2 Mediated Growth of Diamond C (110) Surface via Si/Ge-Triadamantane Dimer Placement Tools," en: Journal of Computational and Theoretical Nanoscience 1 (2004)

8) Merkle, Ralph C & Parker, Eric G & Skidmore, George D; "Method and system for self-replicating manufacturing stations," en: United States Patent No. 6,510,359, 21 January 2003

9) Freitas Jr., Robert A & Merkle, Ralph C; Kinematic Self- Replicating Machines (2004) Landes Bioscience; en prensa

10) Dibujo 15. Un hematíe artificial – el respirocito [41]. Diseñado por Robert A. Freitas Jr. ©1999 Forrest Bishop. Uso con autorización.

http://www.foresight.org/Nanomedicine/Gallery/Species/Respirocytes.html

11) Lawrence Fields & Jillian Rose; "Animation of a respirocyte (an artificial red blood cell) being injected into the bloodstream," en: PBS documentary "Beyond Human," fecha de emisión 15 Mayo 2001, Phlesch Bubble Productions website; http://www.phleschbubble.com/album/beyondhuman/respirocyte01.htm

12) Una breve reseña se puede encontrar en: Robert A. Freitas Jr., "Microbivores: Artificial Mechanical Phagocytes," Foresight Update, No. 44, 31 March 2001, pág. 11–13; http://www.imm.org/Reports/Rep025.html

13) Todos los documentos técnicos en: Freitas Jr., Robert A; "Microbivores: Artificial Mechanical Phagocytes using Digest and Discharge Protocol," en: Zyvex preprint (2001)

14) Freitas Jr. Robert A; website; http://www.rfreitas.com/Nano/Microbivores.htm

15) Imágenes disponibles en: Nanomedicine Art Gallery, Foresight Institute website: http://www.foresight.org/Nanomedicine/Gallery/Species/Microbivores.html

16) Freitas Jr., Robert A; "Section 15.4.2.3 Geometrical Trapping in Spleen Vasculature," en: Nanomedicine, Volume IIA: Biocompatibility, Landes Bioscience, (2003); pág. 95–97; http://www.nanomedicine.com/NMIIA/15.4.2.3.htm#p6

17) Drexler, Eric K; "Section 13.4.1 A bounded-continuum design for a stiff manipulator," en: Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation (1992) editado por John Wiley & Sons; pág. 398–407

18) Freitas Jr., Robert A; "Chromallocytes: Cell Repair Nanorobots for Chromosome Replacement Therapy," (2004); en preparación.

19) Robert A. Freitas Jr., "Section 1.2.2. Volitional Normative Model of Disease," en: Nanomedicine, Volume I: Basic Capabilities, Landes Bioscience (1999), pág. 18–20; http://www.nanomedicine.com/NMI/1.2.2.htm

20) Freitas Jr., Robert A & Phoenix, Christopher J & "Vasculoid: A personal nanomedical appliance to replace human blood," en: Journal of Evolution and Technology 11 (2002); http://www.jetpress.org/volume11/vasculoid.html

CUERPO HUMANO VERSIÓN 2.0

Dr. Raymond Kurzweil

El uso de los nanorobots en las próximas décadas, permitirá mejorar e incluso sustituir completamente algunos de nuestros órganos. Si bien ya ha comenzado el proceso de mejorar los sistemas físicos y mentales, esto supondrá una mejora radical. Por otro lado, hoy en día ya sabemos cómo prevenir la mayor parte de enfermedades degenerativas por medio de la nutrición y los suplementos, lo que supone un puente hacia una revolución biotecnológica ya emergente, y que a su vez, será otro puente hacia la revolución nanotecnológica. Hacia el año 2030, la ingeniería inversa del cerebro humano se habrá completado y la inteligencia no biológica se fusionará con nuestros cerebros biológicos.

TODO ESTÁ EN LOS NANOROBOTS

En una famosa escena de la película The Graduate (El graduado), el mentor de Benjamin le aconseja sobre la carrera que debe elegir con una simple palabra: "plástica". Hoy en día, esa palabra puede significar "software" o "biotecnología", pero en un par de décadas significará probablemente "nanorobótica". Los nanorobots (robots del tamaño de una célula sanguínea) permitirán rediseñar de manera radical nuestro sistema digestivo, y de paso, tal vez todo lo demás.

En una fase intermedia, los nanorobots presentes en el tracto digestivo y en el torrente sanguíneo, primero extraerán de forma inteligente y precisa los nutrientes que requiramos, pedirán los nutrientes adicionales que pudieran necesitar a través de nuestra red de área local inalámbrica personal, y dejarán pasar el resto de la comida que comamos para ser eliminada.

Si esto le parece futurista, recuerde que ya funcionan máquinas inteligentes que se están abriendo paso dentro de nuestro torrente sanguíneo. Se están desarrollando docenas de proyectos para crear "sistemas microelectromecánicos biológicos" basados en el torrente sanguíneo (bioMEMS) con un amplio espectro de aplicaciones terapéuticas y de diagnóstico. Los dispositivos bioMEMS se están diseñando para reconocer patógenos y suministrar fármacos de forma muy precisa.

Por ejemplo, un investigador de la Universidad de Illinois en Chicago, ha creado una pequeña cápsula porosa de sólo siete nanómetros. La cápsula posee unos poros que liberan insulina de forma controlada, evitando además que los anticuerpos invadan las isletas pancreáticas alojadas en la cápsula [1]. Este tipo de dispositivos fruto de la nanoingeniería, ya han sido capaces de curar a ratas con diabetes de tipo I, y no parece existir ninguna razón para pensar que esta misma metodología vaya a fallar en humanos. Sistemas similares podrían liberar dopamina en el cerebro de pacientes con Parkinson, o bien proporcionar factores (proteínas) de coagulación en enfermos de hemofilia, así como fármacos para el cáncer que se administrarían directamente en el lugar del tumor. Un nuevo ingenio dispone de casi 20 contenedores de sustancias que pueden liberarse en el cuerpo humano en lugares y momentos programados.

Kensall Wise, un profesor de ingeniería eléctrica de la Universidad de Michigan, ha desarrollado una sonda neural minúscula que puede monitorizar de forma muy precisa la actividad eléctrica de pacientes con enfermedades neurológicas. Se espera que futuros diseños también suministren medicamentos en lugares del cerebro muy concretos. Kazushi Ishiyama de la Universidad Tohoku en Japón, ha desarrollado unas micromáquinas que utilizan tornillos giratorios microscópicos para suministrar fármacos en tumores cancerígenos de pequeño tamaño [2].

Una micromáquina especialmente innovadora es la desarrollada por los Sandia National Labs, que posee unos microdientes reales y una mandíbula que se abre y se cierra para atrapar células individuales a las que luego implanta ADN, proteínas o fármacos [3]. Ya hay al menos cuatro conferencias de gran importancia sobre bioMEMS y otras aproximaciones para desarrollar máquinas a escalas micro y nano que se puedan introducir en el cuerpo y en la sangre.

En última instancia, podremos comprender cuales son los nutrientes exactos necesarios para cada individuo (incluyendo todos los centenares de fotoquímicos provenientes de las plantas) y estarán disponibles de manera sencilla y asequible por lo que no deberemos preocuparnos más por extraer los nutrientes de la comida. Simplemente, al igual que en la actualidad practicamos el sexo de manera rutinaria con fines meramente placenteros, tendremos también la oportunidad de hacer lo mismo con la comida y desvincular la ingesta de alimentos del aporte de nutrientes al torrente sanguíneo.

Esta tecnología debería estar lo suficientemente madura hacia la década de los años 20 (2020). Los nutrientes se introducirán directamente en el torrente sanguíneo con la ayuda de nanorobots metabólicos. Sensores en nuestra sangre y cuerpo, a través de comunicaciones inalámbricas, proporcionarán información dinámica de los nutrientes necesarios en cada momento.

Una pregunta clave a la hora de diseñar este tipo de tecnologías será el modo en que los nanorobots entren y salgan del cuerpo. Como ya hemos mencionado anteriormente, las tecnologías con que contamos hoy en día, como pueden ser los catéteres intravenosos, dejan mucho que desear. Un beneficio importante de la nanorobótica es que, a diferencia de los fármacos y los suplementos alimenticios, los nanorobots cuentan con cierto grado de inteligencia. Pueden hacer sus propios inventarios, y entrar y salir del organismo de forma inteligente. Un escenario posible es que llevásemos puesto "prendas nutritivas" especiales, como por ejemplo cinturones o camisetas que se cargarían con nanorobots nutritivos que entrarían y saldrían del organismo a través de la piel u otros orificios.

DIGESTIÓN DIGITAL

Llegados a este punto de desarrollo tecnológico, podremos comer cuanto queramos, todo aquello que nos satisfaga o nos proporcione placer gastronómico, y por tanto, podremos explorar las artes culinarias sin reservas para deleitarnos con sabores, texturas y aromas. Paralelamente, contaremos con una circulación óptima de nutrientes por nuestra sangre, por medio de un proceso totalmente independiente. Una posibilidad consistiría en hacer pasar todo lo que comiéramos desconectando el tracto digestivo de cualquier tipo de absorción de nutrientes al organismo.

Si bien esto podría suponer una sobrecarga para el colon y las funciones del intestino grueso, una solución más refinada se encargaría de la eliminación de residuos. Se podrá lograr esto gracias a nanorobots especiales que se encarguen de dicha eliminación y actúen como diminutos compresores de basura. Del mismo modo que unos nanorobots introducen la carga nutritiva en el cuerpo, otros encargados de la eliminación harían justo lo contrario, y de forma periódica, sustituiríamos estas prendas por otras nuevas. Alguno podría argumentar que obtiene algún tipo de placer en el proceso de eliminación, pero sospecho que la mayoría de las personas preferirían arreglárselas sin ello.

En última instancia no necesitaremos llevar prendas especiales o utilizar recursos nutritivos explícitos. Del mismo modo que la informática se volverá omnipresente y disponible para cualquiera, también los recursos básicos metabólicos de los nanorobots se insertarán en todo lo que nos rodea. De manera adicional, un aspecto importante a tener en cuenta de este sistema será el mantenimiento de amplias reservas de todos los recursos necesarios dentro del propio cuerpo. Nuestro cuerpo, versión 1.0, hace todo esto pero de forma muy limitada. Por ejemplo, almacenando oxígeno en la sangre sólo para unos pocos minutos o energía calórica, en forma de glucógeno, para unos días. La versión 2.0 nos proporcionará mayores reservas y nos permitirá carecer de recursos metabólicos durante periodos de tiempo muy extensos.

Una vez perfeccionado, ya no necesitaremos la versión 1.0 de nuestro sistema digestivo. Como se ha señalado anteriormente, la adopción de dichas tecnologías será prudente y progresiva, y no desecharemos la tecnología antigua justo nada más aparecer la nueva. Casi todos esperaremos a que aparezcan las versiones 2.1 ó 2.2 antes de pensar en deshacernos de la versión 1.0. Después de todo, la gente no tiró sus máquinas de escribir cuando aparecieron los procesadores de texto. La gente conservó sus discos de vinilo durante años aún cuando ya existían los CDS (yo aun tengo los míos). La gente también conserva las cámaras de cinta de vídeo, a pesar de que la marea digital las está barriendo. Sea como fuere, estas nuevas tecnologías acabaron por imponerse, y aún así mucha gente sigue conservando su máquina de escribir. El mismo fenómeno se dará en nuestro cuerpo rediseñado. Una vez que hayamos solucionado las primeras complicaciones (siempre inevitables) que se deriven de un sistema gastrointestinal reestructurado, comenzaremos a depender de él cada vez más.

SANGRE PROGRAMABLE

Mientras realizamos la ingeniería inversa (esto es, aprendemos los principios operacionales) de nuestros sistemas corporales, podremos reestructurar nuevos sistemas que nos proporcionen mejoras increíbles. Un sistema dominante que ya ha sido sometido a un proceso de rediseño conceptual y exhaustivo es la sangre.

Uno de los mayores defensores de la "nanomedicina" (rediseñar nuestros sistemas biológicos por medio de ingeniería a escala molecular) y autor del libro del mismo nombre es Robert Freitas, científico investigador para la empresa de nanotecnología Zyvex Corp. El ambicioso manuscrito de Freitas es un mapa de carreteras muy detallado para la reestructuración de nuestra herencia biológica. Uno de los diseños de Freitas consiste en el reemplazo (o mejora) de glóbulos rojos por medio de "respirocitos" que nos permitirían aguantar la respiración durante 4 horas o correr a velocidad máxima durante 15 minutos sin tomar aliento. Como la mayoría de nuestros sistemas biológicos, los glóbulos rojos oxigenan nuestra sangre de manera muy poco eficiente, y Freitas los ha rediseñado para un comportamiento óptimo. Ha detallado muchos de los requerimientos físicos y químicos de manera impresionante.

Resultará interesante ver cómo se trata este asunto en competiciones deportivas. Es de suponer que se prohibirá el uso de respirocitos y otros sistemas similares en competiciones deportivas tales como los Juegos Olímpicos, pero no dejará de ser llamativo ver en los gimnasios escolares a los adolescentes batiendo marcas olímpicas de manera rutinaria.

Freitas prevé plaquetas artificiales de tamaño microscópico que podrían lograr la hemostasis (control del sangrado), 1.000 veces más rápido que las biológicas. Describe microbívoros nanorobóticos (leucocitos de reemplazo) que descargarán el software necesario para eliminar infecciones, cientos de veces más rápido que los antibióticos tradicionales, siendo eficaz contra toda infección bacteriana, viral o micótica, sin tener que preocuparse por las limitaciones de determinado fármaco.

TENER O NO TENER UN CORAZÓN

El siguiente órgano de mi lista de éxitos es el corazón. Es una máquina sorprendente, pero sufre de muchos problemas graves. Es susceptible de sufrir todo un abanico de fallos y errores, y representa un punto débil fundamental para nuestro potencial de longevidad. Normalmente empieza a fallar mucho antes que el resto del cuerpo, y a veces de forma muy prematura.

Aunque los corazones artificiales ya empiezan a funcionar, algo más efectivo sería deshacerse de él. Entre los ingenios de Freitas se encuentran reemplazos nanorobóticos de nuestras células sanguíneas que se muevan de manera autónoma (sin depender del torrente sanguíneo que las impulse). Si el sistema sanguíneo se mueve de manera autónoma, los problemas derivados de un sistema con bombeo centralizado (como el actual, dependiente del corazón) se pueden eliminar. A medida que perfeccionamos los métodos para introducir y sacar los nanorobots de nuestro suministro sanguíneo, también podemos reemplazarlos continuamente.

Con las respirocitos transportando grandes cantidades de oxígeno, estaremos en condiciones de eliminar los pulmones y reemplazarlos por nanorobots que nos suministren oxígeno y expulsen el dióxido de carbono. Alguno podría decir que obtiene placer al respirar (incluso más que con la evacuación). Y como con todos estos diseños alcanzaremos sin duda estados intermedios en los que estas tecnologías mejoren nuestros sistemas naturales, podremos tener lo mejor de ambos mundos. En cualquier caso, no hay razón para mantener las complicaciones de la respiración actual, así como la obligación de hacerlo en un aire respirable allá donde vayamos. Si realmente encontramos placer en respirar, desarrollaremos maneras para conservar esta experiencia sensorial.

No necesitaremos tampoco aquellos órganos que producen sustancias químicas, hormonas y enzimas que fluyen por la sangre y otras vías metabólicas. Ya somos capaces de crear versiones biológicamente idénticas de muchas de esas sustancias, y en un par de décadas recrearemos de forma rutinaria todas las que sean relevantes. Estas sustancias (hasta el punto que aún sean necesarias), se suministrarán a través de nanorobots, controlados por sistemas inteligentes de biofeedback que mantendrán equilibrados los niveles del mismo modo que lo hacen los sistemas naturales hoy día (por ejemplo, el control de los niveles de insulina por las isletas pancreáticas). Y ya que vamos a eliminar la mayoría de nuestros órganos biológicos, muchas de esas sustancias ya no serán necesarias y se sustituirán por recursos que necesiten los sistemas nanorobóticos.

Es importante enfatizar que este proceso de rediseño no podrá llevarse a cabo en un solo ciclo. Cada órgano y cada idea tiene su propia progresión, sus diseños intermedios, y sus fases de implementación. No obstante, nos dirigimos inexorablemente hacia un rediseño fundamental y radical de la versión 1.0 del cuerpo humano, que resulta muy ineficaz y terriblemente limitada en su funcionalidad.

ENTONCES, ¿QUÉ NOS QUEDA?