nanomedicina

El avance de la nanotecnología en la medicina Javier Concejo Arias Silvia González Rodríguez Lucia García Suárez

I N D I C E

Introducción 3 Definiciones 4

Nanotecnología 4 Nanociencia 5 Nanomedicina 6 Evolución Histórica 7 Aplicaciones Médicas 9

Diagnostico Biochips 11

Nanochips 13 Monitorización 14

Tratamientos y Terapias Cáncer 15

Diabetes 16 Sustitución y regeneración de órganos 17 Nanotubos. Transporte de genes 18 Proyectos en Desarrollo 19

Liberación y transporte de fármacos 19 Nanorobots 21 Nanocadenas 23 Riñones sustitutivos 24 Nanoimanes. 25 Nanotecnología para descubrir bacterias 26 Riesgos y Peligros de la Nanotecnología 27 Observaciones Finales 29 Bibliografía 30

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I N T R O D U C C I Ó N

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.

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D E F I N I C I O N E S

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.

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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 diez por ciento el

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.

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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.

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E V O L U C I Ó N H I S T Ó R I C A

El ganador del premio Nobel de Física (1965), Richard Feynman fue el primero en hacer

referencia a las posibilidades de la nanociencia y la nanotecnología en el célebre discurso que dio

en el Caltech (Instituto Tecnológico de California) el 29 de diciembre de 1959 titulado Abajo hay

espacio de sobra (There's Plenty of Room at the Bottom). Otro hombre de esta área fue Eric

Drexler quien predijo que la nanotecnología podría usarse para solucionar muchos de los

problemas de la humanidad, pero también podría generar armas poderosísimas. Creador del

Foresight Institute y autor de libros como Máquinas de la Creación (Engines of Creation) muchas

de sus predicciones iniciales no se cumplieron, y sus ideas parecen exageradas en la opinión de

otros expertos, como Richard Smalley.

Los años 40 Von Neuman estudia la posibilidad de crear sistemas que se auto‐reproducen como una forma de reducir costes.

1959

Richard Feynmann habla por primera vez en una conferencia sobre el futuro de la investigación científica: "A mi modo de ver, los principios de la Física no se pronuncian en contra de la posibilidad de maniobrar las cosas átomo por átomo".

1966

Se realiza la película "Viaje alucinante" que cuenta la travesía de unos científicos a través del cuerpo humano. Los científicos reducen su tamaño al de una partícula y se introducen en el interior del cuerpo de un investigador para destrozar el tumor que le está matando. Por primera ve en la historia, se considera esto como una verdadera posibilidad científica. La película es un gran éxito.

1985 Se descubren los buckminsterfullerenes (o nanopartículas).

1989 Se realiza la película "Cariño he encogido a los niños", una película que cuenta la historia de un científico que inventa una máquina que puede reducir el tamaño de las cosas utilizando láser.

1996 Sir Harry Kroto gana el Premio Nobel por haber descubierto fullerenes

1997 Se fabrica la guitarra más pequeña el mundo. Tiene el tamaño aproximadamente de una célula roja de sangre.

1998 Se logra convertir a un nanotubo de carbón en un nanolápiz que se puede utilizar para escribir

2001 James Gimzewski entra en el libro de récords Guinness por haber inventado la calculadora más pequeña del mundo.

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Pero estos conocimientos fueron más allá ya que con esto se pudo modificar la estructura de las

moléculas como es el caso de los polímeros o plásticos que hoy en día los encontramos en todos

nuestros hogares. Pero hay que decir que este tipo de moléculas se les puede considerar

“grandes”...

Con todos estos avances el hombre tuvo una gran fascinación por seguir investigando más acerca

de estas moléculas, ya no en el ámbito de materiales inertes, sino en la búsqueda de moléculas

orgánicas que se encontrarán en nuestro organismo.

No fue sino hasta principios de la década de los cincuenta cuando Rosalind Franklin, James Dewey

Watson y Francis Crick propusieron que el ADN era la molécula principal que jugaba un papel

clave en la regulación de todos los procesos del organismo y de aquí se tomó la importancia de

las moléculas como determinantes en los procesos de la vida.

Hoy en día en medicina se le da más interés a la investigación del mundo microscópico ya que en

éste se encuentran posiblemente las alteraciones estructurales que provocan la enfermedad.

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A P L I C A C I O N E S M É D I C A S

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.

D I A G N Ó S T I C O

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.

Estos métodos de diagnóstico se pueden utilizar in vivo o in vitro. El diagnóstico in vivo

normalmente requiere que los dispositivos desarrollados puedan penetrar en el cuerpo humano

para identificar y cuantificar (idealmente) la presencia de un determinado patógeno o de células

cancerígenas, por ejemplo. Obviamente, esto comporta una serie de problemas asociados con la

biocompatibilidad del propio material, pero además requiere un diseño realmente sofisticado

para asegurar su eficacia y minimizar los posibles efectos secundarios.

Por su parte, el diagnóstico in vitro ofrece una mayor flexibilidad de diseño, ya que normalmente

se puede aplicar a pequeñas muestras de fluidos corporales o de tejidos, a partir de los cuales se

puede llevar a cabo una detección específica (de patógenos o defectos genéticos, por ejemplo) en

tiempos muy cortos, con gran precisión y sensibilidad. Debido a estas diferencias fundamentales,

se prevé que la detección in vitro llegue al mercado de una forma mucho más rápida y se pueda

consolidar más fácilmente que los métodos in vivo. El empleo de nanopartículas

semiconductoras, metálicas y magnéticas como agentes de contraste para marcaje in vivo, y el

diseño de biosensores basados en nanopartículas metálicas para aplicación in vitro son toda una

revolución científica. Uno de los primeros sistemas de nanopartículas que se han propuesto para

aplicaciones de marcaje celular e identificación de zonas dañadas o tumores son las

nanopartículas de semiconductores, también conocidas como «puntos cuánticos» (quantum

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dots). Cuando el tamaño de estos semiconductores se reduce a unos pocos nanómetros

(normalmente entre 1 y 10 nm), se produce una modificación de su estructura electrónica, de tal

manera que se pierde la característica estructura de bandas y surgen niveles electrónicos

discretos. Esta nueva estructura electrónica les confiere una respuesta óptica (fluorescencia, en

particular) que varía con el tamaño. Por lo tanto, se pueden fabricar puntos cuánticos del mismo

material que emiten luz en diferentes longitudes de onda (con distintos colores) dependiendo de

su tamaño, por lo que son extremadamente útiles como marcadores biológicos. De entre la gran

variedad de materiales que se han estudiado, los semiconductores más utilizados son los de CdSe

y CdTe, ya que se pueden producir en grandes cantidades mediante procesos químicos, con un

control exquisito del tamaño que permite obtener bandas de emisión estrechas e intensas en una

amplia variedad de colores y con un tiempo de vida muy prolongado. Todas estas características,

a las que se puede añadir que la excitación de puntos cuánticos de distintos tamaños, se pueden

realizar con una única lámpara (permitiendo así efectuar marcajes múltiples de forma

simultánea), han promovido su desarrollo como competencia a los marcadores moleculares

habituales. Existen ya múltiples demostraciones de la utilidad de los puntos cuánticos para la

localización de pequeños tumores, lo cual significa que se podría proceder a su extirpación

inmediata.Sin embargo no es suficiente con obtener un material de alta luminiscencia y

estabilidad, también debe llegar a su destino de forma selectiva e, idealmente, eliminarse del

organismo una vez realizada su función para evitar efectos secundarios. Uno de los problemas

por resolver es la captación de las nanopartículas por los macrófagos antes de alcanzar el órgano

afectado. Para ello, es necesario colocar ciertas moléculas en la superficie de las partículas que

actúen como una capa de invisibilidad y las escondan de los macrófagos, por ejemplo con

polímeros como el polietilenglicol. Una vez resuelto este problema, es preciso indicarles cómo

localizar el tumor, lo cual requiere colocar en la superficie del punto cuántico biomoléculas

(biorreceptores) con afinidad selectiva hacia un compuesto específico de la zona a reconocer (p.

ej., la célula cancerosa,). Así, hay ciertas proteínas o moléculas que se encuentran en mayor

proporción en la membrana de las células cancerosas (como los receptores de ácido fólico o la

hormona luteinizante) y que son características de cada tipo de cáncer. Cuando los puntos

cuánticos con el biorreceptor se acercan a una muestra que contiene dicha proteína, se produce

una reacción de reconocimiento biomolecular,de forma que se acumularán allí, permitiendo la

detección mediante iluminación con luz ultravioleta y observando su emisión de fluorescencia

característica.

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Biochips

El biochip y las nuevas tecnologías de la biomedicina empiezan a sustituir los diagnósticos

basados en pruebas descriptivas, como los recuentos sanguíneos, la comprobación de

temperatura corporal y el examen de los síntomas. Con el biochip es posible conseguir en poco

tiempo abundante información genética ‐tanto del individuo como del agente patógeno‐, que

permitirá elaborar vacunas, medir las resistencias de las cepas de la tuberculosis a los antibióticos

o identificar las mutaciones que experimentan algunos genes y que desempeñan un papel

destacado en ciertas enfermedades tumorales, como el gen p53 en los cánceres de colon y de

mama. En la actualidad, en Estados Unidos existen portadores del VIH, causante del SIDA, que

reciben una combinación de fármacos basada en un análisis previo del genotipo del virus. El

objetivo que se pretende con estos pequeños artilugios es desarrollar técnicas que permitan

detectar cualquier enfermedad a partir de una simple gota de sangre.

Así, en pocos años, con el avance de estos biochips se podrá calcular el riesgo de padecer

enfermedades coronarias a los 55 años o Alzheimer a los 75.

El funcionamiento de estos dispositivos es sencillo. Un chip de ADN, también llamado array,

consta de una lámina delgada en cuya superficie se hacen orificios diminutos que se colocan de

forma ordenada. Los agujeros se rellenan con fragmentos de ADN (oligonucleóticos), cuya

secuencia se conoce de antemano. El material genético se marca con reactivos fluorescentes o

con sustancias que permitan una lectura con láser. La reacción de la molécula control con cada

uno de los oligonucleótidos hace factible apreciar, gracias a la fluorescencia emitida, si alguna

secuencia responde a alguna anomalía. La suma de las distintas interacciones entre la molécula y

las secuencias se mide de forma simultánea. Con ello, un investigador, en vez de comprobar los

cambios fisiólogos gen por gen, puede revisar en un momento un grupo entero de genes. Hoy en

día, algunos especialistas ya prescinden de las pruebas citológicas y optan por el biochip para

determinar el tipo y la fase en que se encuentra un tumor. La ventaja de este procedimiento es

que se puede predecir la propensión de una persona a padecer un tumor y, en caso de que ya lo

sufra, calibrar qué fármacos serán más eficaces.

Si cada universidad y grupo de investigación estudia un gen o una proteína avanzaríamos muy

lentamente. Ahora se dispone de un paradigma electrónico aplicable a la biología que ayuda a

recoger información genética en muy poco tiempo. El biochip se revela como un instrumento

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excepcional para averiguar las mutaciones que experimenta el bacilo de la tuberculosis, así como

para identificar cepas resistentes a la penicilina. El uso del biochip se puede extender a la

agricultura, la biotecnología y otros ámbitos de conocimiento. Por ejemplo, se pueden evaluar las

alteraciones genéticas que predisponen a una personas a caer en la drogadicción. Asimismo, es

posible medir la oposición que plantea el organismo humano a fármacos destinados a combatir la

leucemia y también con nuestra saliva y la información que se puede obtener de ésta un grupo de

expertos de Estados Unidos han logrado desarrollar un nanochip, con el que a través de un poco

de saliva y gracias a la información aportada por cuatro de las 32 proteínas que contiene que

relacionan el riesgo de sufrir un ataque de corazón, se pude diagnosticar precozmente el riesgo

de infarto. Se observó que realizando un electro, se diagnosticó solo un 67% de los infartos,

mientras que si junto al electro se realizaba estaba la prueba con saliva, ese porcentaje aumento

hasta el 97%.

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Nanochips o Nanohilos

Se ha descubierto que se pueden configurar hilos ultrafinos de silicio como detectores

ultrasensibles que se encienda o apaguen en presencia de un virus individual, en tiempo real y

con una gran precisión. Las posibilidades de estos detectores, que pueden ser ordenados en

matrices capaces de detectar literalmente miles de virus diferentes, nos introducirán en una

nueva era en materia de diagnósticos, seguridad biológica y respuestas a brotes víricos. En el

ambiente clínico, la extremada sensibilidad de los nanohilos permite detectar infecciones virales

en sus primeros estadios, cuando el sistema inmunológico aún es incapaz de actuar.

La detección consiste en unir nanohilos que transmitan una pequeña corriente con receptores de

anticuerpos para ciertos dominios clave de virus. Cuando un virus individual hace contacto con un

receptor, se produce un momentáneo y revelador cambio en la conductancia que da una clara

indicación de su presencia. Mediciones simultáneas, eléctricas y ópticas (usando virus de

influenza A marcados en forma fluorescente) confirman que los cambios en conductancia se

corresponden con la unión y separación de virus individuales a los dispositivos. Se comprobó que

los detectores podían distinguir virus, basándose tanto en el receptor específico utilizado, como

también en que cada virus se une a su receptor por un lapso de duración característica antes de

separarse. Esto hace minúsculo el riesgo de una lectura positiva falsa. La extremada sensibilidad

de las matrices de nanohilos permite detectar infecciones virales en sus primeros estadios,

cuando el sistema inmunológico aún es capaz de suprimir poblaciones virósicas. En este estadio

de actividad viral comienzan a aparecer los síntomas, pero como la cantidad de virus aún es

pequeña es difícil detectarlos y decidir un tratamiento.

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Monitorización

Se trata de la captación de imágenes en el interior del cuerpo con finalidad médica. Es posible

monitorizar mediante un simple escáner, y con todo detalle, la evolución de un tumor desde una

etapa temprana y por tanto también los efectos inmediatos de la medicación para combatirlo.

Recientemente, un equipo de investigadores estadounidenses han estado trabajando en

perfeccionar el método para implantar en el organismo nanopartículas sensibles a la química

originada por las células cancerosas y que, además, resulten fácilmente detectables mediante un

escáner convencional de imágenes de resonancia magnética. Estos avances proporcionarán a los

médicos una información casi inmediata, detallada y fiable sobre el interior de los tumores, sobre

su evolución, su tamaño, y sobre cómo responden sus células a la medicación.

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T R A T A M I E N TO Y T E R A P I A

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

citamos 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. Las

investigaciones actuales se centran en cómo utilizar la nanotecnología para cambiar de forma

radical la capacidad de la medicina para diagnosticar, comprender y tratar el cáncer.

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.

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Tratamiento de la diabetes

En el tratamiento de esta enfermedad se ha descubierto que el método más seguro para la

administración del gen de la insulina a pacientes diabéticos se lleva a cabo con el uso de

nanopartículas.

La diabetes de tipo 1 o juvenil tiene su origen en una destrucción autoinmune de las células beta

(β‐células) del páncreas que producen la insulina. Como resultado de la pérdida de insulina, los

niveles de azúcar en sangre se elevan demasiado, produciendo daños en los vasos sanguíneos

finos y las terminaciones nerviosas que conducen a síntomas debilitantes. Como resultado, los

pacientes dependen de inyecciones diarias de insulina para sobrevivir. Sin embargo, es

prácticamente imposible hacer coincidir el contenido de azúcar de cada comida con la dosis

adecuada de insulina y los errores acumulados reducen considerablemente tanto la calidad de

vida como su duración.

Recrear una secreción de insulina interna con la regulación adecuada en células portadoras

(células no beta) de individuos con diabetes es un enfoque atractivo para curar esta enfermedad.

El principal obstáculo de este enfoque ha sido replicar la secreción automática de insulina

regulada según los requerimientos del cuerpo.

Se desea desarrollar un enfoque que restaure la producción de insulina en respuesta a la comida

en individuos con diabetes, eliminando la necesidad de las inyecciones de insulina y mejorando,

al mismo tiempo, el control de los niveles de azúcar en sangre. Se pretende lograr induciendo a

células específicas del intestino para que asuman la producción de insulina.

Se ha demostrado previamente que es posible inducir las células K del intestino con el gen de la

insulina para producir esta sustancia en respuesta a la ingestión de alimentos, en un patrón

comparable a la producción normal de insulina llevada a cabo por el páncreas.

Para trasladar esta tecnología a un uso clínico, se desarrollo un novedoso método de

administración del gen de la insulina a las células K del intestino utilizando nanopartículas. Estas

nanopartículas contienen un componente llamado chitosán que protege al gen de la insulina

mientras está en el intestino, así como a la integrasa para insertar el gen de la insulina en las

células intestinales del paciente. a administración de genes por medio de estas nanopartículas es

más segura y menos inmunógena que la mayoría de los agentes basados en virus utilizados

habitualmente.

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Sustitución y regeneración de órganos

La medicina regenerativa pretende ayudar al cuerpo a salvarse a sí mismo. El primer estadio 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:

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

‐ Fundiéndose con el propio hueso (o músculo) roto.

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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.

Gracias a los últimos avances científicos se han logrado identificar muchos de los genes

relacionados con ciertas enfermedades, y actualmente investigaciones utilizan estos nuevos

conocimientos para desarrollar nuevos tratamientos. Se cree que se podría reemplazar genes

defectuosos o ausentes a través de la implantación en células humanas desde el exterior del

mismo tipo de gen. Este proceso no resulta sencillo porque, como el ADN no puede traspasar las

membranas células, se requiere la ayuda de un transportador. Para ello se ha desarrollado un

nuevo método para introducir el ADN en células de mamíferos a través de nanotubos de carbón

modificados.

. 18 .

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.

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P R O Y E C T O S E N D E S A R R O L L O

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:

Liberación y transporte de fármacos

Aparte de estas sofisticadas técnicas de terapia, la nanomedicina se ha propuesto como una

posible solución para el desarrollo de nuevos sistemas de liberación controlada de fármacos. La

idea consiste en que las nanoestructuras transporten el fármaco hasta la zona dañada y,

solamente cuando han reconocido esa zona, lo liberen como respuesta a un cierto estímulo. Por

lo tanto, es necesario la encapsulación o desactivación de los fármacos para que no actúen

durante su tránsito por el cuerpo hasta llegar al lugar afectado, de forma que mantengan intactas

sus propiedades fisicoquímicas y que se minimicen posibles efectos secundarios en otras partes

del cuerpo. Hay que recordar que los fármacos suelen ser sustancias altamente tóxicas, por lo

que es necesario escoger las dosis con cuidado.

Una vez que el fármaco ha llegado a su destino, debe liberarse a una velocidad apropiada para

que sea efectivo, lo cual se puede hacer mediante una variación de ciertas condiciones (p. ej., pH

o temperatura) en la zona dañada, o mediante un control preciso de la velocidad de degradación

del material encapsulante, permitiendo una liberación más controlada del fármaco. Para la

administración de fármacos se ha propuesto una gran variedad de nanoestructuras, como

pueden ser nanopartículas, nanocápsulas, dendrímeros, liposomas, micelas, nanotubos,

conjugados poliméricos, microgeles, etc.

Un equipo de científicos ha desarrollado unas “naves de carga” de tamaño nanométrico capaces

de navegar por el cuerpo a través del torrente sanguíneo sin ser detectados inmediatamente por

el sistema inmunológico del cuerpo y transportar su carga de fármacos anticancerígenos y

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marcadores hasta tumores que, de lo contrario, podrían continuar sin tratar o incluso no ser

detectados. El sistema de naves de carga nanométricas integra funciones terapéuticas y de

diagnóstico en un solo dispositivo que evita la eliminación rápida por parte del sistema

inmunológico natural del cuerpo. La idea consiste en encapsular fármacos y agentes de formación

de imágenes en una “nave nodriza” protectora que elude los procesos naturales que

habitualmente eliminarían estos cargamentos, si fuesen desprotegidos. Estas "naves nodrizas",

de 50nm de diámetro, están equipadas con un conjunto de moléculas en su superficie que ayuda

a dirigir la nave hacia las células tumorales del cuerpo y a penetrar en su interior. Podrían ser la

clave para administrar de forma más eficaz, a los tumores, fármacos anticancerígenos tóxicos en

altas concentraciones sin dañar otras partes del cuerpo. Los investigadores cargaron las naves

con tres cargamentos antes de inyectarlas en ratones. Dos tipos de nanopartículas, óxido de

hierro superparamagnético y puntos cuánticos fluorescentes, se colocaron en el almacén de

carga de la nave, junto con el fármaco anticancerígeno doxorrubicina. Las nanopartículas de

óxido de hierro permiten que las naves aparezcan en una resonancia magnética, mientras que los

puntos cuánticos se pueden ver con un escáner de fluorescencia, que proporciona mayor

resolución.

Podemos imaginar a un cirujano identificando, con una resonancia magnética, la localización

concreta de un tumor en el cuerpo antes de operar, y luego utilizar imágenes de fluorescencia

para encontrar y eliminar todas las partes del tumor durante la operación.

El equipo se sorprendió al descubrir en sus experimentos que una sola nave nodriza es capaz de

transportar múltiples nanopartículas de óxido de hierro, incrementando su brillo en la imagen de

la resonancia magnética y facilitando, así, la detección de tumores pequeños.

. 21 .

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».

. 22 .

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. El nanorobot creado por Seeman y sus colegas tiene dos

brazos de ADN unidos por una puente que forma la llamada estructura Z o zurda de la doble

hélice. Los científicos han logrado manipular el proceso de transición que convierte esta

estructura Z o zurda en otra denominada B o diestra, de tal forma que el nanorobot realiza un

pequeño desplazamiento. Este movimiento se ha podido verificar mediante la utilización de unos

tintes fluorescentes que muestran el cambio de posición en los brazos del diminuto nanorobot.

No cabe duda de que todavía tendrán que pasar muchos años antes de que este tipo de

investigaciones desemboquen en la creación de máquinas genéticas capaces de producir toda

clase de moléculas. No obstante, este primer nanorobot, por muy simples e insignificantes que

parezcan sus movimientos mecánicos, ya demuestra hasta qué nivel de complejidad está

llegando la ciencia en el campo de la tecnología. Un aparato de estas características ‐mitad

biológico, mitad sintético‐ ha vuelto a demostrar una vez más que hoy día, la frontera entre lo

vivo y lo artificial está cada vez menos clara.

. 23 .

Nanocadenas para detectar enfermedades

Un equipo de investigadores de la Universidad de Queensland ha concebido y desarrollado una

nueva tecnología con aplicaciones clínicas y de investigación, incluida la detección temprana de

enfermedades.

Se han desarrollado unos “códigos de barras” fluorescentes llamados nanocadenas (nanostrings),

que proporcionan más sensibilidad y precisión que los actuales métodos de detección.

Las nanocadenas se enlazan a las moléculas de ARN para realizar un análisis digital de la

expresión génica. Puesto que este sistema puede contabilizar el número exacto de biomoléculas

presentes, podemos obtener a tiempo una imagen extremadamente precisa y sensible de la

expresión génica en un punto concreto. Esta información cuantitativa es superior a otros

sistemas de expresión génica como los microarrays, que dependen de la medida analógica de la

fluorescencia y, por tanto, son menos precisos y tienen un rango limitado.

La nanocadena es un importante desarrollo tecnológico tanto en entornos clínicos como de

investigación. Podremos detectar con mayor precisión las moléculas asociadas a enfermedades

concretas, y en el terreno de la investigación podremos identificar nuevas moléculas asociadas a

enfermedades y seguir su rastro hasta los genes responsables.

Se está trabajando ahora en el siguiente paso, que consistirá en el desarrollo de nuevos

nanocódigos de barras que reducirán aún más el coste y la mejora en la sensibilidad y la

capacidad de uso.

. 24 .

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.

Según los investigadores, el sistema HNF, al eliminar el dialisate y utilizar un sistema de

membrana innovador, supone un gran avance en el campo de terapias de reemplazo de riñón

basadas en el funcionamiento de riñones nativos. La mejor tasa de eliminación además del diseño

funcional que permite insertarlo sin problemas debería contribuir a una mejora en la calidad de la

vida de pacientes con insuficiencia renal crónica. Los científicos pretenden iniciar las primeras

pruebas con animales dentro de 1‐2 años para luego pasar a la organización de pruebas clínicas.

. 25 .

Imanes para eliminar células cancerigenas

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. Tras la operación quirúrgica para extraer el tumor

primario, el paciente se sometería al tratamiento para eliminar cualquier célula cancerosa que

haya quedado. Los investigadores ya están desarrollando un filtro como este y probándolo en el

fluido abdominal de pacientes humanos con cáncer. Para probar la nueva tecnología, los

investigadores inyectaron primero células cancerosas y, a continuación, las nanopartículas

magnéticas en la cavidad abdominal de los ratones. Las células cancerosas se señalaron con un

marcador fluorescente de color verde y las nanopartículas con uno de color rojo. Cuando el

equipo acercó un imán a la barriga de cada ratón, apareció un área concentrada de brillo verde y

rojo bajo la piel, indicando que las nanopartículas habían atrapado las células cancerosas y las

habían arrastrado hacia el imán. Este experimento muestra que las nanopartículas pueden

atrapar al menos algunas células cancerosas en el interior cuerpo, sin embargo, todavía no está

claro qué proporción exactamente pueden captar y extraer. Está prevista la realización de

pruebas para comprobar con exactitud dicha proporción.

. 26 .

Nanotecenología para descubrir bacterias resistentes a antibióticos

Investigadores del Reino Unido están utilizando "nanosondas" microscópicas para encontrar

nuevos fármacos que resuelvan el problema de la resistencia a los antibióticos. Las diminutas

sondas ultrasensibles pueden calcular en qué medida se une un fármaco a las bacterias y su

capacidad para debilitarlas y destruirlas. Los investigadores estudiaron la tecnología de silicio en

la vancomicina, uno de los pocos antibióticos que todavía funcionan contra infecciones como el

SARM (Staphylococcus aureus resistente a la meticilina). Es la primera vez que se utiliza este tipo

de nanotecnología para buscar nuevos fármacos. El grosor de las sondas no es mayor que el de

un cabello humano, pero son capaces de detectar el mínimo cambio a nivel molecular. Los

antibióticos como la vancomicina se unen a la pared celular de las bacterias, causando la ruptura

de la bacteria. Cuando la bacteria se vuelve resistente, se producen pequeños cambios en la

estructura de su pared celular haciendo que al antibiótico le resulte más difícil adherirse y

debilitar la estructura de la célula.

Los investigadores del London Centre for Nanotechnology recubrieron una serie de nanosondas

con las proteínas que cubren las paredes celulares de las bacterias. Como una diminuta fila de

trampolines, las sondas se pliegan en respuesta al "estrés de superficie" que se produce cuando

el antibiótico se adhiere a la célula. El sistema logró detectar que es 1.000 veces más difícil para la

vancomicina adherirse a las bacterias resistentes que a las no resistentes.

Ahora están buscando otros posibles antibióticos con el objetivo de encontrar un fármaco capaz

de adherirse con fuerza a las bacterias resistentes y causar una flaqueza estructural importante

de la pared celular.

Se ha producido un alarmante incremento de ‘superbacterias’ resistentes a los antibióticos, como

el SARM y los enterococos resistentes a la vancomicina. Es un problema global de salud y está

conduciendo al desarrollo de nuevas tecnologías para investigar los antibióticos y su

funcionamiento. Los diferentes fármacos causan diferentes debilidades estructurales en la pared

celular (unas más eficaces que otras) y la nanotecnología que están utilizando podría ayudar a

identificar las que es probable que resulten más destructivas.

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R I E S G O S Y P E L I G R O S D E L A N A N O T E C N O L O G Í A

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

. 28 .

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.

El Centro de Nanotecnología Responsable ha identificado algunos de los riesgos más

preocupantes de la nanotecnología. Algunos suponen riesgos existenciales, es decir que podrían

amenazar la continuidad de la humanidad. Otros podrían producir grandes cambios sin causar la

extinción de nuestro especie. Una combinación de varios de estos riesgos podría empeorar la

gravedad de cada uno. Y todas las soluciones que se plantean para uno de estos riesgos deben

tener en cuenta el impacto que tendrían sobre los otros.

Algunos de estos riesgos son producto de una falta de normativa jurídica, y otros de demasiado

control. Hará falta distintos tipos de legislación según cada campo específica. Una respuesta

demasiada rígida o exagerada en estos sentidos, podría dar lugar a la aparición de otros riesgos

de naturaleza muy distinta por lo que habrá que evitar la tentación de imponer soluciones

aparentemente obvias a problemas aislados. Más adelante ofreceremos algunas ideas para

normativas jurídicas en el campo de la nanotecnología. De momento se pueden leer en inglés

aquí. Un único enfoque (comercial, militar, información libre) no podrá impedir todos estos

riesgos de la nanotecnología. Y el propio alcance de algunos de los posibles peligros de la

nanotecnología es tal que la sociedad no podrá asumir el riesgo con la aplicación de distintos

métodos para impedirlo. No podremos tolerar un escape de plaga gris, o una carrera inestable de

armas fabricadas con la nanotecnología. Tejer un hilo entre todos los riesgos requiere un proceso

de planificación muy cuidadosa antemano.

. 29 .

O B S E R V A C I O N E S F I N A L E S

La nanotecnología ha avanzado enormemente durante las últimas décadas, permitiendo

grandes avances en muchos campos, incluidas 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, 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. Ya existen chips subcutáneos

para medir de forma continua parámetros cruciales como el pulso, la temperatura y la glucosa,

nanopartículas que pueden reconocer, detectar y atacar selectivamente células cancerosas en

tejidos subdérmicos, así como nanosensores que permiten detectar en fluidos biológicos

cantidades extremadamente bajas de moléculas que revelan la existencia de cáncer u otras

enfermedades. Se están fabricando actualmente dispositivos «laboratorio‐en‐un‐chip» y se ha

pasado a la etapa de ensayo clínico para nanopartículas que realizan una liberación controlada

de fármacos. Sin embargo, los largos procesos de aprobación en los sectores médicos y

farmacéuticos pueden significar que los beneficios para la salud sólo podrán apreciarse a largo

plazo. Aunque todavía es necesario llevar a cabo una gran cantidad de investigación y

desarrollo, no cabe duda de que la nanotecnología seguirá sorprendiéndonos con avances que

redundarán en una mejora de la calidad de vida de nuestra envejecida sociedad y que ayudará

a resolver los problemas causados por las principales enfermedades (cáncer, desórdenes

neurodegenerativos y enfermedades cardiovasculares).

. 30 .

B I B L I O G R A F Í A

La información consultada y requerida para la realización de este trabajo, la hemos obtenido de

los siguientes enlaces:

http://nanometro.galeon.com/nanomedicina.htm

http://www.portalciencia.net/nanotecno/

http://www.euroresidentes.com/futuro/nanotecnologia/nanotecnologia.htm

http://managementensalud.blogspot.com/2008/12/la‐nanomedicina‐garantiza‐menores‐

dosis.html

http://www.nanomedspain.net/

http://www.zientzia.net/teknoskopioa/2004/nanomedicina.html

http://www.euroresidentes.com/Blogs/avances_tecnologicos/2004/10/nanorobots.htm

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Javier Concejo Arias 9.435.377 ‐ H

Lucia García Suárez 53.553.746 ‐ V

Silvia González Rodríguez 71.668.409 ‐ H