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