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Actualmente, existe una amplia actividad científica, a nivel mundial, dedicada al desarrollo de nanomateriales con potenciales aplicaciones en implantes médicos, medicina regenerativa, diagnósticos clínicos y terapias
En la actualidad, las tecnologías experimentan una revolución, y su desempeño mejora notablemente con la incorporación de los diversos tipos de nanomateriales que en el presente se están desarrollando. Estos materiales destacan porque su tamaño y/o estructura son controlados en dimensiones que van desde unos cuantos nanómetros hasta cientos de ellos.
Un nanómetro es un milímetro dividido un millón de veces, así que en un milímetro cabrían cerca de cien mil nanoestructuras destinadas a una tarea específica, por ejemplo, atacar un tumor maligno. En general, las tecnologías que utilizan nanomateriales son conocidas como nanotecnologías; y el conjunto de nanotecnologías dedicadas a la solución de problemas de salud, como nanomedicina.
Aquí describimos distintas estrategias que, basadas en nanomateriales, prometen brindar a la medicina herramientas sin precedentes para mejorar la calidad de vida de los pacientes.
Implantes
Las nanotecnologías están revolucionando el quehacer médico y representan una esperanza para la prevención y el alivio de enfermedades que actualmente son tratadas por métodos invasivos y poco efectivos
La sustitución de estructuras dañadas en el cuerpo humano es una práctica médica usual, pero los materiales de reemplazo requieren características mecánicas y de biocompatibilidad, que no son fáciles de obtener. La incorporación de nanomateriales en implantes permite mejorar sus propiedades mecánicas, pues el uso de pequeños volúmenes de material disminuye sus defectos estructurales, y con ello, su probabilidad de fractura. Además, cuando el tamaño de los materiales es similar al de las estructuras biológicas, las nanoestructuras del implante se mimetizan con el medio biológico, aumentando su biocompatibilidad (figura 1).
Debido al tamaño de los nanomateriales, el número de átomos en su superficie es similar al de los átomos contenidos en su volumen, lo que aumenta mucho la superficie de interacción con el medio circundante e incrementa la adsorción de proteínas y nutrientes, haciendo más rápida la incorporación de los implantes en el cuerpo humano.
Por ejemplo, los nanocristales de hidroxiapatita —material utilizado para la confección de implantes óseos— son mecánicamente más resistentes que la hidroxiapatita convencional y, en consecuencia, idóneos, debido a las exigencias mecánicas a las que las prótesis son sometidas. De igual manera, la morfología superficial de los implantes dentales —que contienen nanopartículas de dióxido de titanio— es similar a la morfología dental, lo que aumenta su adherencia al hueso y su vida útil. Por otro lado, los nanotubos de carbono son empleados como recubrimiento de electrodos en implantes neuronales, ya que facilitan la interacción cerebro-implante, pues su morfología es similar a la del tejido nervioso. 1
Medicina regenerativa
Esta rama consiste en crecer (desarrollar) tejido sano en una zona dañada. Está demostrado que existe un crecimiento eficiente de tejido, cuando es soportado por materiales nanoestructurados. De ahí el interés por estudiar materiales con poros de tamaño nanométrico, para utilizarlos como medio de crecimiento de tejido a partir de células madre. A la fecha, se han realizado exitosamente trasplantes de órganos (por ejemplo, la tráquea) elaborados a partir de la reproducción de células madre sobre plásticos mesoporosos (figura 2). 2
Diagnósticos clínicos
Fulereno: En 1985, Robert F. Curl, Harold w. Kroto y Richard E. Smalley descubrieron una nueva forma de carbono (una familia entera). El primer miembro de esta familia tiene forma esférica y contiene 60 átomos de carbono. El nombre de la molécula fue escogido para honrar a Richard Buckmisnter Fuller, arquitecto conocido por construir edificios con estructuras de bóvedas geodésicas. (Nanoboru Takeuchi)
La diminuta dimensión de los nanomateriales, su alta área superficial y la presencia de fenómenos electrónicos y ópticos que no ocurren en materiales macroscópicos, han constituido un beneficio para las técnicas clínicas de diagnóstico in vivo e in vitro. El uso de nanomateriales en diagnósticos clínicos hace que se requiera pequeñas cantidades de muestra viva y aumente su exactitud, sensibilidad y rapidez, reduciendo costos de operación.
Algunas nanopartículas son empleadas como sensores que detectan cambios muy pequeños, de tan sólo unas cuantas moléculas, en las concentraciones de algunos indicadores biométricos. El análisis de estos indicadores posibilita la detección de células cancerígenas, el estudio de ácidos nucleicos y la detección de ciertas proteínas con una precisión sin precedentes. Esto se debe a la respuesta eficiente de algunos nanomateriales ante estímulos externos en forma de luz, campos eléctricos y magnéticos, calor y cambios de pH.
El color de las nanopartículas metálicas y semiconductoras depende de su forma, tamaño y entorno (figura 1). Esta dependencia, aunada al campo eléctrico que las nanopartículas metálicas generan, permite detectar, de manera temprana, diversos desórdenes fisiológicos que eventualmente desencadenan enfermedades como diabetes o hipertensión arterial.
Terapias localizadas
Existen diversos usos para los nanomateriales, como parte de terapias médicas. Por un lado, el calentamiento de nanopartículas metálicas o magnéticas, mediante iluminación con luz de color adecuado o a través de un campo magnético oscilante, permite quemar tejido enfermo en forma menos invasiva que con radiación ionizante, como ocurre con la radioterapia, lo cual ofrece una alternativa a los tratamientos actuales contra el cáncer.
Por otro lado, los materiales mesoporosos biocompatibles permiten encapsular medicamentos que, posteriormente, se liberan en una zona específica del cuerpo. Por ejemplo, en el marco de su proyecto de investigación en el Posgrado en Ciencia e Ingeniería de Materiales UNAM, la física Gina Prado investiga el uso de cerámicos mesoporosos para la liberación de neurotransmisores, como parte de un posible tratamiento de enfermedades neurodegenerativas (figura 3).3
Las nanopartículas mesoporosas también se usan para controlar a voluntad, mediante un estímulo externo, la liberación de medicamento en una zona específica del cuerpo. Estímulos como la iluminación visible e infrarroja, los cambios de pH, los campos magnéticos, los cambios de temperatura y la aplicación de rayos X destapan los poros de nanopartículas que contienen medicamento, y sólo lo liberan en la zona de aplicación del estímulo, evitando que el medicamento altere tejido sano y provoque efectos colaterales indeseables.
Estas nanopartículas suelen ser híbridos orgánico-inorgánicos formados por varios componentes: soporte mesoporoso biocompatible, nanoestructuras que responden ante estímulos externos y moléculas orgánicas que sirven de válvulas de escape para el medicamento. Por ejemplo, el doctor Alfredo Franco, del Laboratorio de Nanotecnología, de la Universidad Tecnológica “Fidel Velázquez”, realiza investigaciones en dióxido de silicio mesoporoso que contiene moléculas orgánicas capaces de impulsar medicamento hacia fuera de los poros, cuando son iluminadas mediante luz infrarroja, como parte de una posible terapia contra tumores cancerosos (figura 4);4 investigaciones que iniciaron con el apoyo del Instituto de Ciencia y Tecnología del Distrito Federal.
Las ventajas de estas terapias son notables, pues administran concentraciones adecuadas de medicamentos poco solubles en agua, protegen el medicamento de una degradación previa a su contacto con tejido enfermo, aumentan la absorción de medicamento únicamente en la zona dañada, controlan de manera externa la distribución del fármaco, así como el tiempo de su administración, y disminuyen los efectos colaterales.
Teranóstica
También se investiga el uso de nanomateriales como plataforma de diagnósticos y terapias simultáneas. La acción de combinar funciones de diagnóstico y terapia se conoce como teranóstica pues, al tiempo que se brinda terapia, también se diagnostica. Básicamente, estos nanomateriales contienen tanto medicamentos como agentes de contraste, con el objetivo de obtener imágenes in vivo del envío, liberación y efecto de los medicamentos en los tejidos. Así, mediante métodos no invasivos, los efectos de las terapias son monitorizados, al tiempo que se evalúa su eficacia con precisión.
Conclusiones y retos
La naturaleza interdisciplinaria de las nanotecnologías permite su desarrollo en diversas áreas, tal es el caso de la medicina, en la que el uso de nanomateriales da lugar al campo de investigación y desarrollo conocido como nanomedicina.
Esta área de investigación es muy reciente, por lo que sus resultados están en una etapa temprana y todavía enfrenta retos en cuanto a biocompatibilidad y biodegradabilidad de los nanomateriales, así como en la difusión responsable de sus limitaciones y de sus resultados promisorios. Pero, dado el alto impacto social y económico que representa, es fundamental apoyar su desarrollo mediante políticas adecuadas que permitan financiar el conocimiento generado en los laboratorios de investigación y transferirlo a procedimientos médicos confiables y de acceso a toda la población.
Referencias
1. E. Keefer, B. Botterman, M. Romero, A. Rossi, G. Gross (2008). “Carbon Nanotube Coating Improves Neuronal Recordings”. Nature Nanotechnology 3, 434 – 439.
2. University College London. http://www.ucl.ac.uk/news/news-articles/1107/11070701
3. G. Prado-Prone, G. Valverde-Aguilar, J. García Macedo, P. Vergara-Aragón (2012). “Photoconductivity and Stabilization of Dopamine Embedded in Sol-Gel TiO2 Matrix”. Proceedings SPIE 8456, 84560D - 84560D.
4. A. Franco, J. García-Macedo, J. I. Zink. (2013). “Hybrid Organic-Inorganic Photodriven Nanoimpellers for Drug Release”. Advances in Science and Technology 82, 25 – 31.
Lecturas recomendadas
◂ R. Duncan, R. Gaspar (2011). “Nanomedicine(s) under the microscope”. Molecular Pharmaceutics 8, 2101 – 2141.
◂ T. Lammers, S. Aime, W. E. Hennink, G. Storm, F. Kiessling (2011). “Theranostic Nanomedicine”. Accounts of Chemical Research 44, 1029 – 1038.
Autores
Alfredo Franco Pérez es Doctor en Ciencias (física), por la UNAM. Ha realizado estancias posdoctorales en la Universidad de Padua (Italia) y en el Instituto de Física-UNAM. Actualmente es miembro del SNI (I) e investigador titular en la División de Tecnología Ambiental y Nanotecnología, de la Universidad Tecnológica “Fidel Velázquez”, donde realiza investigación orientada a la síntesis y el desarrollo de nanomateriales funcionales híbridos orgánico-inorgánicos.
Gina Prado Prone es Física, por la Facultad de Ciencias-UNAM. Actualmente estudia el posgrado en Ciencia e Ingeniería de Materiales, en la UNAM. Realiza investigación orientada a la síntesis y uso de nanomateriales destinados al tratamiento del mal de Parkinson, en el laboratorio Fotónica de Geles del Instituto de Física-UNAM.
