Nanotecnología – Aplicaciones a la medicina

Resumen

La palabra "nanotecnología" engloba las ciencias y técnicas que se aplican a un nivel de nanoescala, es decir, unas medidas extremadamente pequeñas, "nanos", que permiten trabajar y manipular las estructuras moleculares y sus átomos. En síntesis nos llevaría a la posibilidad de fabricar materiales y máquinas a partir del reordenamiento de átomos y moléculas. Esto supone un gran avance en cuanto a investigación y aplicaciones actuales, con lo que no resulta tan raro escuchar palabras como "nanociencia" y "nanomedicina", con todas las posibilidades que conlleva el descubrimiento y manipulación de un gran universo apenas conocido: el microscópico.

PALABRAS CLAVE: nanotecnología, nanomedicina, nanociencia.

Definiciones

Nanotecnología

La nanotecnología es el estudio, diseño, creación, síntesis, manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales a través del control de la materia a nano escala, y la explotación de fenómenos y propiedades de la materia a nano escala.

Cuando se manipula la materia a la escala tan minúscula de átomos y moléculas, demuestra fenómenos y propiedades totalmente nuevas. Por lo tanto, científicos utilizan la nanotecnología para crear materiales, aparatos y sistemas novedosos y poco costosos con propiedades únicas.

Nos interesa, más que su concepto, lo que representa dentro del conjunto de investigaciones y aplicaciones actuales cuyo propósito es crear nuevas estructuras y productos que tendrían un gran impacto en la industria, la medicina (nanomedicina), etcétera.

Estas nuevas estructuras con precisión atómica, tales como nanotubos de carbón, o pequeños instrumentos para el interior del cuerpo humano, pueden introducirnos en una nueva era. Los avances nanotecnológicos protagonizarían de esta forma la sociedad del conocimiento con multitud de desarrollos con una gran repercusión en su instrumentación empresarial y social.

FIGURA 1.-NANOTECNOLOGIA

Nanociencia

Es la construcción de nanomáquinas hechas de átomos y que son capaces de construir ellas mismas otros componentes moleculares. La nanociencia está unida en gran medida desde la década de los 80 con Drexler y sus aportaciones a la "nanotecnología molecular". Desde se considera a Eric Drexler como uno de los mayores visionarios sobre este tema.

El padre de la "nanociencia", es considerado Richard Feynman, premio Nóbel de Física, quién en 1959 propuso fabricar productos en base a un reordenamiento de átomos y moléculas. En 1959, el gran físico escribió un artículo que analizaba cómo los ordenadores trabajando con átomos individuales podrían consumir poquísima energía y conseguir velocidades asombrosas. Supondrá numerosos avances para muchas industrias y nuevos materiales con propiedades extraordinarias, como por ejemplo: desarrollar materiales más fuertes que el acero pero con solamente el 10% del peso, nuevas aplicaciones informáticas con componentes increíblemente más rápidos o sensores moleculares capaces de detectar y destruir células cancerígenas en las partes más delicadas del cuerpo humano como el cerebro, entre otras muchas aplicaciones.

Podemos decir que muchos progresos de la nanociencia estarán entre los grandes avances tecnológicos que cambiarán el mundo.

FIGURA 2.-NANOCIENCIA

Nanomedicina

Se trata de una de las vertientes más prometedoras dentro de los potenciales nuevos avances tecnológicos en la medicina. Podríamos aventurar una definición situándola como rama de la nanotecnología que permitiría la posibilidad de curar enfermedades desde dentro del cuerpo y al nivel celular o molecular. Se considera que determinados campos pueden ser objeto de una autentica revolución, especialmente: monitorización, reparación de tejidos, control de la evolución de las enfermedades, defensa y mejora de los sistema biológicos humanos, diagnóstico, tratamiento y prevención, alivio del dolor, prevención de la salud, administración de medicamentos a las células, etc.

Todos ellos constituirían nuevos avances tecnológicos en la medicina que la posicionarían en una nueva era científica y asistencial.

Dentro de los avances científicos más significativos se encuentran biosensores, nuevas formas de administrar medicamentos, más directas y eficaces y el desarrollo de nuevos materiales para injertos, entre otras.

FIGURA 3.-NANOMEDICINA

Desarrollo

OBJETIVO:

El objetivo general del nanodiagnóstico es la identificación de enfermedades en sus estadios iniciales, cuando el desarrollo es muy limitado, mediante la utilización de nanodispositivos o directamente de nanopartículas. Se pretende así obtener una capacidad de respuesta más rápida que permita aplicar el tratamiento adecuado a una enfermedad específica o reparar tejidos u órganos dañados, ofreciendo, por lo tanto, más posibilidades de recuperación.

APLICACIONES MÉDICAS

Las aplicaciones médicas de las tecnologías nanoescalares tienen el potencial de revolucionar el cuidado de la salud al brindar poderosas herramientas para diagnosticar y tratar las enfermedades desde un nivel molecular.

Diagnóstico Temprano.

Los nanodispositivos utilizados como agentes de contraste en la imaginología médica tienen claras ventajas sobre los agentes tradicionales en cuanto a mejor dispersión óptica, incremento de la biocompatibilidad, disminución en la probabilidad de desnaturalización y, especialmente, su capacidad de unirse a ligandos, lo cual los convierte en dispositivos con múltiples funciones que se unen a las células blanco, permiten la imagen para el diagnóstico y acarrean medicamentos, permitiendo un tratamiento específico y eficiente.

Diagnóstico Y Manejo De Enfermedades Cardiovasculares.

La enfermedad cardiovascular y sus consecuencias (enfermedad coronaria, infarto del miocardio, accidente cerebrovascular) ocupan en nuestro país los primeros lugares de morbilidad y mortalidad por causas no relacionadas con la violencia. La detección a nivel celular y molecular de las lesiones de aterosclerosis en la pared de los vasos es posible gracias a la utilización de nanopartículas que se unen específicamente a factores locales producidos por activación de la placa aterosclerótica, marcadores de angiogénesis y macrófagos. Al mismo tiempo que se localiza la lesión, la nanopartícula liberaría medicamentos (por ejemplo: paclitaxel o doxorrubicina) para inhibir la angiogénesis y la proliferación celular que lleva a la estenosis del vaso sanguíneo afectado por la placa.

En el caso de los pacientes cuyo diagnóstico se hace cuando ya se presenta isquemia miocárdica (insuficiencia en el riego sanguíneo que puede llevar a infarto), además de permitir la imagen del territorio isquémico, la nanopartícula podría incorporar genes de factores de crecimiento que serían incorporados por la maquinaria genética de la célula miocárdica para que ella misma produzca proteínas "terapéuticas" (fenómenos de transfección y transducción génica)

Cambios En La Forma De Administración De Algunos Medicamentos.

Muchos medicamentos de uso común son péptidos o proteínas (por ejemplo, insulina, hormonas, algunas vacunas y medicamentos antineoplásicos).

Éstos no pueden ser administrados por vía oral debido a que son degradados enzimáticamente, tienen baja absorción, escasa capacidad para atravesar membranas biológicas, rápida eliminación y vida media corta. El uso de nanoesferas y nanocápsulas permitiría no sólo su administración oral sino la reducción de los efectos secundarios, al disminuir la irritación de la mucosa gastrointestinal, la toxicidad y la posibilidad de inmunización, además de que mejorarían su eficacia al aumentarse la estabilidad del compuesto activo, la biodisponibilidad y la absorción

Control Del Sangrado.

La nanotecnología parece abrir una posibilidad interesante frente a los métodos tradicionales de hemostasia (por ejemplo, mediante presión, cauterización, utilización de fármacos, etc.) que generalmente requieren condiciones específicas y no sólo ocluyen el vaso comprometido (vasoconstricción) sino los de tejidos adyacentes, afectando el suministro de oxígeno y nutrientes a las células sanas. Se han ensayado soluciones nanohemostáticas que disminuyen notablemente el tiempo de sangrado, preservan la integridad de las células vecinas y permiten que sus componentes básicos (generalmente, aminoácidos) sean utilizados como materia prima en el proceso de regeneración

Disminución de posibles complicaciones al utilizar stents.

En los pacientes con obstrucción de las vías biliares se hace necesario colocar un stent que restaure el flujo normal de bilis. En muchos casos, este dispositivo se obstruye con barro biliar y es colonizado por bacterias, lo cual hace que necesite colocar uno nuevo. Los estudios

in vitro demuestran que su recubrimiento con nanoemulsiones superhidrófobas disminuye notablemente ambas complicaciones. Para los stents coronarios, alternativa terapéutica ante la cirugía de bypass en pacientes seleccionados, se encuentran en proceso de investigación las cubiertas nanotexturizadas que promueven la adherencia al stent en las células musculares lisas y endoteliales, lo cual disminuye los riesgos de una nueva estenosis y de trombosis

Nanocirugía.

El progreso de la nanotecnología ha permitido el desarrollo de herramientas para practicar

"intervenciones quirúrgicas" a nivel celular e, incluso, molecular: sistemas láser, nanojeringas, nanopinzas, nanoalambres y diversos dispositivos para manipulación electrocinética.

Los sistemas láser, por ejemplo, introducidos en medicina hace cerca de 40 años para intervenciones a nivel macroscópico, se utilizan en pulsos de algunos nanojulios (nanojoules) durante femtosegundos (1 femtosegundo=10-15 segundos) para la manipulación de células individuales u organelos subcelulares como componentes del citoesqueleto, mitocondrias, disección de cromosomas para inactivación de regiones genómicas específicas, así como transfección de ADN sin destruir la estructura celular, utilizando perforaciones transitorias en la membrana plasmática

Tratamientos y terapias

Para el tratamiento de enfermedades, la nanotecnología también supone un avance tecnológico espectacular. Gracias a esta tecnología, algunas aplicaciones de tratamientos médicos están cambiando radicalmente. Principalmente destacan las aplicaciones en terapias médicas que citaremos a continuación.

Tratamiento del cáncer

Cuando una persona contrae cáncer, su cuerpo emite unas señales de aviso mucho antes de que la medicina actual sea capaz de detectar la enfermedad. Si se pudiese detectar antes estos cambios sutiles en las células humanas, habría mayores posibilidades de salvar al enfermo. Pero los primeros cambios a nivel molecular en una persona que está en las primeras fases de un cáncer son increíblemente complejos y pueden pasar desapercibidos.

La nanotecnología ofrecer la solución a este problema molecular. Conjuntos de ultra pequeños cables de silicona, cada uno fabricado para detectar una proteína específica relacionada con el cáncer, puede detectar los cambios más sutiles en la química corporal del ser humano (nanohilos). Estos nanosensores pueden buscar cientos, o incluso miles, de distintas biomoléculas en solo una gota de sangre. El combate de la enfermedad a escala molecular permite detectar precozmente la enfermedad, identificar y atacar de forma más específica a las células cancerígenas.

Investigaciones ya realizadas han logrado desarrollar nano-aparatos capaces de detectar un cáncer en la fase muy preliminar, localizarlo con extrema precisión, proporcionar tratamientos específicamente dirigidos a las células malignas y medir la eficacia de dichos tratamientos en la eliminación de las células malignas.

Sustitución y regeneración de órganos

La medicina regenerativa pretende ayudar al cuerpo a salvarse a sí mismo. El primer estudio ha sido la sustitución de órganos defectuosos, aparecidos en los años setenta, cuando aparecieron los primeros materiales implantables en el cuerpo humano. No obstante, sólo se trataba de "piezas de recambio" inertes y no biodegradables, que a menudo se habían desarrollado para otras aplicaciones. A mediados de la década de los ochenta nació la segunda generación de materiales a base de cerámicas y de vidrio, capaces de ser biodegradables (una vez reparada la lesión), o de estimular la actividad de autoregeneración: pero jamás las dos cosas a la vez. Hoy en día, se trata de combinar estas dos propiedades (biodegradabilidad y bioactividad) en una sola estructura. A escala nanométrica podemos pensar en combinaciones de cuerpos inertes y de moléculas biológicas hasta ahora inaccesibles para la química clásica.

Una de las aplicaciones más importantes de la nanomedicina, aunque no está demasiado extendida por estar aún en fase de experimentación, es la reconstrucción y reestructuración de huesos y músculos. Esto se podrá llevar a cabo a través del empleo de nanorobots programados para identificar fisuras, reparándolas de dos maneras:

• a. Llevando a cabo un proceso de aceleración de la recuperación del hueso (o músculo) roto.

• b. Fundiéndose con el propio hueso (o músculo) roto

Transporte de genes mediante nanotubos

Los nanotubos de carbón son estructuras diminutas con forma de aguja y fabricados con átomos de carbón. Son las fibras más fuertes que se conocen. Un solo nanotubo perfecto es de 10 a 100 veces más fuerte que el acero por peso de unidad y poseen propiedades eléctricas muy interesantes, conduciendo la corriente eléctrica cientos de veces más eficazmente que los tradicionales cables de cobre Se han empleado en investigaciones asociadas a terapias genéticas entre otras muchas como tratamientos contra el cáncer, dispensadores de medicamentos, etcétera.

Para utilizar nanotubos como transportadores de genes, era necesario modificarlos. Finalmente se logró enlazar al exterior de los nanotubos de carbón varias cadenas hechas de átomos de carbón y oxígeno cuyo lateral consiste en un grupo de aminos cargados positivamente (– NH3+). Esta pequeña alteración hace que los nanotubos sean solubles. Además, los grupos cargados positivamente atraen a los grupos de fosfatos cargados negativamente en el esqueleto del ADN. Al utilizar estas fuerzas electrostáticas atractivas, los científicos lograron fijar de forma sólida plásmidos al exterior de de los nanotubos. Luego contactaron los híbridos de nanotubo-ADN con su cultivo celular de células de mamífero.

El resultado fue que los nanotubos de carbón, junto con su cargamento de ADN, entraron dentro de la célula. Los nanotubos no dañan a las células porque, a diferencia de los anteriores sistemas de transporte genético, no desestabilizan la membrana al penetrarla. Una vez dentro de la célula, los genes resultaron ser funcionales. Además, la circulación de los nanotubos por el flujo sanguíneo, no afecta a ningún órgano ni se almacena, ya que serán expulsados por la orina.

FIGURA 4.- NANOTUBOS

Proyectos en desarrollo

Las aplicaciones médicas nanotecnológicas no terminan en las que hemos citado anteriormente. Esta nueva tecnología se halla en constante desarrollo y cada año salen nuevos avances y descubrimientos. Hasta ahora, los experimentos in vivo se han realizado con animales, pero se prevé que, una vez superados los controles de las agencias de salud, se pueda pasar próximamente a realizar estos ensayos en seres humanos. A continuación, mostramos algunos de los últimos avances:

Nanorobots

Un equipo de científicos ya ha dado el primer paso adelante para que esta fantasía de ciencia ficción pueda convertirse en realidad: la creación de un artilugio compuesto de dos fragmentos manipulables de ADN que pueden realizar pequeños movimientos mecánicos.

De momento, las órdenes que se les pueden dar a este primer nanorobot son relativamente sencillas. Lo único que han descubierto estos científicos, por el momento, es una técnica para manipular fragmentos de ADN de tal forma que realicen pequeños desplazamientos de entre 20 y 60 nanometros (milmillonésima parte de un metro). Sin embargo, este hallazgo sin duda representa un primer paso hacia la futura construcción de aparatos microscópicos compuestos de ADN sintético que podrán programarse para engendrar moléculas a la carta.

La existencia de estos nanorobots podría suponer una auténtica revolución para el mundo de la medicina, ya que quizás permitirían la fabricación artificial de toda clase de moléculas útiles para el desarrollo de fármacos y terapias. Los autores del trabajo explican que uno de los objetivos fundamentales de la nanotecnología es la creación de «sistemas mecánicos sintéticos, moleculares y manipulables».

FIGURA 5.-NANOROBOT

Este primer nanorobot de ADN podría considerarse un prototipo para futuros aparatos más sofisticados. Los científicos han aprovechado ciertas características de la estructura de doble hélice del ADN para programar esta máquina molecular de tal forma que puede realizar pequeños cambios en su posición.

Riñones sustitutivos contra la insuficiencia renal

un equipo de científicos ha utilizado nanotecnología para desarrollar un filtro de nefronas para humanos (HNF) que podría hacer posible la fabricación de riñones artificiales para su implantación en personas con insuficiencia renal sustituyendo terapias convencionales como la implantación de riñones de donantes así como los métodos de diálisis convencionales. El filtro HNF sería la primera aplicación hacia el eventual desarrollo de una nueva terapia de implantación renal para pacientes en la última fase de insuficiencia renal crónica. El filtro HNF utiliza un sistema único creado mediante nanotecnología aplicada. En el aparato ideal para terapia de reemplazo renal (RRT), esta tecnología se usaría para copiar el funcionamiento de riñones naturales, operando sin parar y de acuerdo con las necesidades particulares de cada paciente. Funcionando 12 horas diarias 7 días de la semana, la tasa de filtración del filtro HNF es dos veces la de hemodiálisis convencional que se administra tres veces a la semana.

FIGURA 6.-RIÑONES SUSTITUTIVOS

Imanes para eliminar células cancerígenas

Unas nanopartículas magnéticas recubiertas con una molécula dirigida especializada han sido capaces de reconocer células cancerosas en ratones y expulsarlas del cuerpo. Los autores del estudio, investigadores del Instituto Tecnológico de Georgia esperan que esta técnica proporcione, algún día, un modo de detectar (y, posiblemente, incluso tratar) el cáncer de ovario metastático. En el caso del cáncer de ovario, la metástasis se produce cuando las células abandonan el tumor principal y flotan libremente en la cavidad abdominal. Si los investigadores pudieran utilizar las nanopartículas magnéticas para atrapar estas células cancerosas a la deriva y extraerlas del fluido abdominal, podrían predecir e incluso evitar la metástasis. Aunque las nanopartículas se han probado en el interior del cuerpo de ratones, los autores prevén un dispositivo externo que extraiga el fluido abdominal del paciente, filtre magnéticamente las células cancerosas y, a continuación, devuelva el fluido al cuerpo.

FIGURA 7.-NANOIMANES

Riesgos y peligros de la nanotecnología

La nanotecnología molecular es un avance tan importante que su impacto podría llegar a ser comparable con la Revolución Industrial pero con una diferencia destacable, que en el caso de la nanotecnología el enorme impacto se notará en cuestión de unos pocos años, con el peligro de estar la humanidad desprevenida ante los riesgos que tal impacto conlleva. Algunas consideraciones a tener en cuenta incluyen:

• Importantes cambios en la estructura de la sociedad y el sistema político.

• La potencia de la nanotecnología podría ser la causa de una nueva carrera de armamentos entre dos países competidores. La producción de armas y aparatos de espionaje podría tener un coste mucho más bajo que el actual siendo además los productos más pequeños, potentes y numerosos. Riesgo por uso personal de la nanotecnología molecular por parte de criminales o terroristas

• La producción poco costosa y la duplicidad de diseños podría llevar a grandes cambios en la economía.

• La sobre explotación de productos baratos podría causar importantes daños al medio ambiente.

• El intento por parte de la administración de controlar estos y otros riesgos podría llevar a la aprobación de una normativa excesivamente rígida que, a su vez, crease una demanda para un mercado negro que sería tan peligroso como imparable porque sería muy fácil traficar con productos pequeños y muy peligrosos como las nanofábricas.

Existen numerosos riesgos muy graves de diversa naturaleza a los que no se puede aplicar siempre el mismo tipo de respuesta. Las soluciones sencillas no tendrán éxito. Es improbable encontrar la respuesta adecuada a esta situación sin entrar antes en un proceso de planificación meticulosa que es imprescindible afrontar para resolver los riesgos. Para hacer esto, debemos primero comprenderlos, y luego desarrollar planes de acción para prevenirlos. La nanotecnología molecular permitirá realizar la fabricación y prototipos de una gran variedad de productos muy potentes. Esta capacidad llegará de repente, ya que previsiblemente los últimos pasos necesarios para desarrollar la tecnología serán más fáciles que los pasos iniciales, y muchos habrán sido ya planificados durante el propio proceso. La llegada repentina de la fabricación molecular no nos debe coger desprevenidos, sin el tiempo adecuado para ajustarnos a sus implicaciones. Es imprescindible estar preparados antes.

Conclusiones

Se pudo comprobar que la nanotecnología ha avanzado enormemente durante las últimas décadas, permitiendo grandes avances en muchos campos, especialmente las ciencias de la salud. Los conceptos de la nanotecnología se están aplicando para el diseño de métodos de diagnóstico más sensibles, sistemas de terapia y de administración controlada de fármacos, así como herramientas que permiten la regeneración de tejidos y órganos dañados.

En el futuro no muy lejano, estos sistemas se integrarán en microchips implantables que permitirán la administración programada de fármacos con un tratamiento personalizado y que, al mismo tiempo, podrán medir los parámetros vitales del paciente y trasmitir información directamente al personal médico para tener controlado al paciente mientras éste hace su vida normal.

También podemos ver que hay muchos proyectos ya en desarrollo que dentro de muy poco tiempo estarán listos para ser empleado y estos serán muy importantes en las diferentes ramas de la medicina.

Pudimos observar que la nanotecnología a pesar de sus diversos beneficios también posee muchos riesgos y peligros que se debe asumir con mucha responsabilidad.

ReferenciasLa información requerida para la realización de este trabajo se obtuvo de los siguientes enlaces.

[1]http://www.ate.uniovi.es/8695/documentos/TRABAJOS%202008/avances/lunes%2026/g1%20NANOMEDICINA.pdf

[2] http://www.nanomedspain.net/

[3] http://nanometro.galeon.com/nanomedicina.htm

[4]http://revistaing.uniandes.edu.co/pdf/25a7.pdf

[5]http://www.javeriana.edu.co/Facultades/Medicina/serial/v49n3/6.%20Nanotecnologia.pdf

Autor:

Bayron Alexis Cárdenas Berzosa

Universidad Politécnica Salesiana

Ingeniería Electrónica

2011-2012