Expoquimia 2011: Nanomedicina - Schwartz

16/11/2011 http://gobi.edugali.com/cibbim/ CIBBIM - Nanomedicine

Prof. Dr. Simó Schwartz Jr

CIBBIM-Nanomedicina, Hospital Valle Hebron, Barcelona

EXPOQUIMIA, 16 NOVIEMBRE 2011

Avances en nanomedicina.

La nanotecnología aplicada a la biomedicina


Nanomedicina:

Es la aplicación de nanotecnología a la medicina y la salud con un objetivo común: mejorar

significativamente los sistemas actuales de diagnóstico y tratamiento de las enfermedades, mediante

nuevos sistemas, biomateriales y metodologías desarrolladas a escala nanométrica (el concepto de la

miniaturización)

Implica la conjunción de diversas disciplinas científicas, entre ellas, microelectrónica, química, física,

biología, computación y biomedicina (y por tanto grupos de investigación biomédicos, pluridisciplinares

y grandes hospitales investigadores)

www.cibbim.net

LA NANOBIOTECNOLOGIA EN SALUD HUMANA

16/11/2011 http://gobi.edugali.com/cibbim/ CIBBIM - Nanomedicine www.cibbim.net

Sus principales ámbitos de aplicación son:

- diagnóstico (in vitro, in vivo – imagen -)

- tratamiento

- medicina regenerativa (biomateriales)


La Nanomedicina terapéutica persigue obtener nuevos medicamentos,

dirigidos, más específicos, que permitan un tratamiento selectivo y una

liberación farmacológica controlada.

Pretende aumentar la eficacia terapéutica y reducir los efectos adversos

asociados (toxicidad).


1 nm: diameter of glucose molecule

2 nm: diameter of a single DNA strand

5 nm: diameter of insulin molecule

6 nm: diameter of a hemoglobin molecule

10 nm: thickness of cell wall (gram negative bacteria)

10 nm: prion NANOPARTICLES

15 nm: Monoclonal Antibody NANOPARTICLES

5-50 nm: protein NANOPARTICLES

25 nm: ribosome NANOPARTICLES

20-100 nm: virus NANOPARTICLES

200 nm: diameter of smallest bacteria

1 μm: diameter of mitochondria ( x 2 μm length)

1-5 μm: bacteria

10-100 μm: human cell

Nanopartícula: - 20-50 veces mayor que un compuesto de bajo peso molecular

- 4-8 veces el tamaño de un anticuerpo monoclonal

- Tamaño similar a un virus de pequeño tamño

- 1.000 veces más pequeña que una célula animal

350 nm

200 nm

100 nm

27 nm

La Nanotecnología (Rango de tamaños)


NANOPARTICLES

La Nanotecnología (comparativa)

1 mm


Duncan R. Drug Discovery. Nature Reviews, 2:347-360, 2003

www.cibbim.net


Blanco E, Exp Biol

Med 234:123–131, 2009

, Review.


La Nanotecnología aplicada a Nanomedicina (Tipos de nanopartículas)



Los nanoconjugados pueden extravasarse del torrente circulatorio



Petros and DeSimone, Strategies in the design of nanoparticles for therapeutic applications,

Nature Reviews in Drug Discovery , 9(8): 615-627 (2010)

Alnylam, media-kit at http://www.alnylam.com/News-and-Events/Media-Kit.php


J. Peng et al. / Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine 2 (2006) 113–114 120

www.cibbim.net



Quitosan

PPDN

(Dendrimers)

CTAB

SLN

Enzyme Replacement Therapy of a-GalA.

Target: Cellular lysosome

from Sanz F et al.


LA NANOMEDICINA PERMITE REDUCIR LA TOXICIDAD ASOCIADA AL

TRATAMIENTO FARMACOLÓGICO Y EN MUCHOS CASOS, INCREMENTAR

LA EFICACIA TERAPÉUTICA:

EVITANDO LA DEGRADACIÓN/METABOLIZACIÓN DEL CARGO EN EL

TORRENTE CIRCULATORIO

CAMBIANDO EL TIEMPO DE VIDA MEDIA DEL FÁRMACO, DISTRIBUCIÓN O

VIAS DE METABOLIZACIÓN

ADMINISTRANDO VARIOS FÁRMACOS SIMULTÁNEAMENTE

AUMENTANDO LA DOSIS EFECTIVA QUE LLEGA A LA CÉLULA DIANA

LIBERACIÓN RETARDADA DE FÁRMACOS (NANOCRISTALES…)


HCT-116

0.0001 0.001 0.01 0.1 1 100

25

50

75

100

125

CPTSNP-CPT

Concentration (mg/mL)

Cell

Via

bil

ity

(%)

U87-MG

0.0001 0.001 0.01 0.1 1 100

25

50

75

100

125

CPTSNP-CPT

Concentration (mg/mL)

Cell

Via

bil

ity

(%)

Botella P et al, J Control Release. 2011

Toxicity reduction


LIBERACION RETARDADA

HIDROGELES Y NANOCRISTALES

http://www.google.es/imgres?imgurl=http://www.uned.es/quim-5-macromoleculas/imagenes/tecnicas/doshidrogeles.jpg&imgrefurl=http://www.uned.es/quim-5-macromoleculas/laboratorio/hinchamiento/inchamgeneral.htm&h=196&w=361&sz=20&tbnid=Z0d7ePLf6aAGQM:&tbnh=66&tbnw=121&prev=/search?q=hidrogeles&tbm=isch&tbo=u&zoom=1&q=hidrogeles&usg=__xOCyuIzQo_L9SRe86Ild7GpUCMo=&sa=X&ei=o7jwTciXJciDhQf-6rAr&ved=0CE8Q9QEwCA

http://www.google.es/imgres?imgurl=http://img441.imageshack.us/img441/4893/cf001542detailbx5.jpg&imgrefurl=http://www.cienciakanija.com/2007/07/19/cientificos-inventan-un-nuevo-hidrogel-para-reparar-y-regenerar-el-tejido-humano/&h=297&w=350&sz=109&tbnid=YSMi4TmI5mGdKM:&tbnh=102&tbnw=120&prev=/search?q=hidrogeles&tbm=isch&tbo=u&zoom=1&q=hidrogeles&usg=__y4AvypuYaH72OB88kbJXEVsU-HA=&sa=X&ei=o7jwTciXJciDhQf-6rAr&ved=0CFEQ9QEwCQ


Image from Dr.T.V.Rao MD for “e” learning in Medicine

PODER ATRAVESAR LA

BARRERA HEMATOENCEFALICA

Y REDUCIR LA RESISTENCIA

AL TRATAMIENTO SON

PUNTOS CLAVE DE MEJORA EN

LA FARMACOLOGÍA ACTUAL


The brain membrane is

impenetrable to most conventional

antibiotics because the molecular

structure of most drugs is too big

to enter the membrane.


Dr.T.V.Rao MD for “e” learning in Medicine

CELL PENETRATING PEPTIDES

RGD CONTAINING PEPTIDES

GLUCOSE, GLUTATHIONE

FACILITAN A LOS SISTEMAS DE

LIBERACIÓN (DDS)

PODER ATRAVESAR LA

BARRERA

HEMATOENCEFALICA


Nanoparticles help overcome Drug Resistance

- Endocytosis of DDS provide a scape mechanism

from MDR complexes

- several drugs can be loaded to overcome natural

tumor/disease resistance


DRUG DELIVERY SYSTEMS CAN BE

ACTIVATED BY EXTERNAL SOURCES


From Erich Ruetsche, Nanotechnology in Medicine, IBM Research, 2011



LUZ (NIR) COMO FUENTE EXTERNA


Nanodroplets strongly retained the loaded drugs; yet, under ultrasound-mediated vaporization

they released the drugs into the tumor tissue . Rapoport NY et al, Acoust Phys. 2009 Oct 1;55(4-5):594-601.

ULTRASONIDOS COMO FUENTE EXTERNA

http://jnci.oxfordjournals.org/content/99/14/1095/F1.large.jpg

http://jnci.oxfordjournals.org/content/99/14/1095/F1.large.jpg


Thermal ablation of cancer cells assisted

by nanoshells coated with metallic layer

and an external energy source – National Cancer

Institute

• Thermal ablation of

cancer cells

− Nanoshells have metallic

outer layer and silica core

− Selectively attracted to cancer

shells either through a

phenomena called enhanced

permeation retention or due

to some molecules coated on

the shells

− The nanoshells are heated

with an external energy

source killing the cancer cells


CAMPO MAGNETICO COMO FUENTE EXTERNA


• Nanoscience does have an impact on several areas of microbiology. It allows for the study and visualization at the molecular-assembly levels of a process.

• It facilitates identification of molecular recognition and self-assembly motifs as well as the assessment of these processes


ENZIMAS COMO FUENTE EXTERNA


LA NANOTECNOLOGÍA TAMBIÉN

PERMITE GENERAR SISTEMAS

IMPLANTABLES DE LIBERACIÓN

FARMACOLÓGICA O MEDICINA

REGENERATIVA


From Prof. Dr. med. François Berger, Université Joseph Fourier, Director of Unit “Nanomédecine et

Cerveau“ of INSERM, Grenoble (F). CLINAM 2011, Basel.


RETINA: Desarrollo de nuevas terapias para enfermedades degenerativas

de la retina

El principal objetivo de este proyecto es el diseño de un modelo de retina que nos

ayude a comprender mejor algunos de los procesos comunes que se encuentran

en muchas patologías degenerativas de la retina y en el desarrollo de nuevas

alternativas terapéuticas que puedan contribuir a mejorar la calidad de vida de las

personas afectadas por estas patologías. El proyecto se centrará en dos

enfermedades que representan las principales causas de ceguera intratable en

las sociedades occidentales:Degeneración Macular y la Retinosis Pigmentaria.

Células microencapsuladas.

Introducción de células

modificadas genéticamente en

una matriz polimérica compuesta

por una membrana

semipermeable como agente de

liberación de fármacos. Las

células del interior actúan como

una microfactoría de un

determinado factor neurotrófico.





SISTEMAS DE DIAGNÓSTICO POR IMAGEN


Amornpun Sereemaspun, Nanogold &Quantum Dot

As Novel Biosensors, 2010


Grodzinski et al., Expert Rev Mol Diagn, 6(3):307-318, 2006

Magnetic Resonance Imaging (MRI) using dendrimer contrast agents


Image from Dr.T.V.Rao MD for “e” learning in Medicine

OTHER APPLICATIONS OF

NANOSCIENCES

MEDICAL DEVICES

AND BIOSENSORS


Seigneuric R et al., Nanotechnology for Cancer Research

Current Molecular Medicine, 2010, Vol. 10, No. 7


• Bio “Finger”

Dr. Tai-ping Sun, Biology 280S: Biotechnology & Genetic Engineering; Joshua Mendoza-Elias, Fall 2008

Sistemas mecanicos


I. Nanocircuitos para la determinación e identificación de moléculas o metabolitos

a) determinación de PSA

Zheng et al., Nat Biotech 23:1294-1301, 2005

Sistemas electroquímicos



Sistemas ópticos


Ventajas de la reducción del diagnóstico a escala nanométrica:

- múltiples análisis simultáneos

- métodologías no invasivas (reducción de riesgos) (sangre /saliva)

- no necesidad de instalaciones especializadas

- control a distancia

tiempo de análisis

requerimientos analíticos (pre-procesamiento de la muestra y volumen)

costes

rentabilidad del procedimiento

sensibilidad y especificidad analíticas

reproducibilidad y exportabilidad de los resultados (interlaboratorios)

ESF recommendations, 2005





MUCHAS GRACIAS !!!

Prof. Dr. Simó Schwartz Jr

CIBBIM-Nanomedicina, Hospital Valle Hebron, Barcelona

Science

Expoquimia 2011: Nanomedicina - Schwartz