Doctor Eduardo Pérez Tijerina
Profesor Investigador Titular A Coordinador del Laboratorio de Nanociencias y Nanotecnología Facultad de Ciencias Físico Matemáticas / UANL
Miguel Ángel Gracia Pinilla
Centro de Investigación en Ciencias Físico Matemáticas / CICFIM-FCFM Centro de Investigación e Innovación y Desarrollo en Ingeniería y Tecnología / UANL
La nanociencia y la nanotecnología son dos de las principales áreas de investigación de las últimas décadas, dadas las múltiples aplicaciones de los materiales a escala nanométrica. Su importancia se basa en que los materiales con tamaños de entre uno y cien nanómetros presentan propiedades totalmente distintas a las de estos mismos materiales en escalas macroscópicas, por lo que tienen un sinfín de aplicaciones, donde el límite es impuesto por nuestra imaginación.
Así pues, si tomamos el ejemplo del mercurio, éste presenta, entre otras propiedades, las de conducción térmica y conducción eléctrica; pero, cuando lo estudiamos a escala nanométrica, resulta que si tomamos 20 átomos de mercurio en un cúmulo, este cúmulo se comportará como un material aislante eléctrico; si seguimos agregando átomos (al cúmulo) y llegamos a 70 átomos, este cúmulo se comportará como material semiconductor; es decir, permitirá el paso de la corriente con cierta resistencia, y de 70 átomos en adelante, se comportará tal y como se comporta el material en bulto (macroscópicamente); es decir, como conductor eléctrico, y permitirá el paso de la corriente sin oponer resistencia alguna. Éste es tan sólo un ejemplo de cómo se pueden manipular las propiedades de los materiales en escalas nanométricas.
VARIABLES DE ESTUDIO
Las principales variables que se estudian en escala nanométrica son:
1. El tamaño de la nanoestructura.
2. La composición química de la nanoestructura.
3. La geometría de la nanoestructura.
Un posible cuarto parámetro correspondería a la concentración o grado de dispersión de la nanoestructura.
En lo que respecta a la importancia de las nanopartículas en la salud y medicina, lo dividiremos en dos partes: i) podemos decir que las aplicaciones en la salud tienen que ver con la prevención de enfermedades debidas a diversos factores, como riesgos en el ambiente de trabajo, riesgos en el ambiente de hogar, riesgos dada la propia salud de la persona, algo de lo que hablaremos en una primera parte; y ii) hablaremos de las aplicaciones de las nanopartículas en la medicina, que tienen que ver con aplicaciones que se proponen, y algunas que hoy en día se están implementando o incluso que ya se comercializan para ayudar a la cura de alguna enfermedad o cuadro médico.
APLICACIONES DE NANOPARTÍCULAS EN LA SALUD
El uso de nanopartículas metálicas en la prevención de riesgos y de enfermedades son quizás unas de las áreas más importantes. En cuanto a la prevención de riesgos, el hogar es uno de los principales lugares donde deben prevenirse accidentes y donde se presentan altos riesgos, como lo es la intoxicación o muerte por envenenamiento por CO (principalmente en el invierno).
En este caso, las nanopartículas metálicas se usan para el diseño de nuevos y más eficientes detectores de gases, que traen muchas ventajas consigo, como un menor consumo de energía, mayor tiempo de vida útil, así como lograr la detección de cantidades muy pequeñas de CO.
Otra aplicación en la prevención es el uso de nanopartículas en las diferentes etapas de elaboración y comercialización de alimentos. Esta área es muy importante; en Europa, por ejemplo, se sabe que el mercado de nanotecnología en alimentos fue de 140 millones de dólares en el año 2006 y se espera que para el año 2012 aumente hasta los cinco mil 600 millones de dólares.
Así pues, por ejemplo, la presencia de diversos gases en los envases de los alimentos resulta perjudicial para el contenido alimenticio. Tomemos por ejemplo el oxigeno; éste reacciona con los alimentos frescos, y causa moho, ranciedad y la proliferación de bacterias. Por esto vemos cómo día a día se incrementa el número de alimentos envasados al vacío. De aquí se deriva la importancia de detectar oxígeno desde el principio en la línea del envasado de alimentos.
Ya existen algunas tecnologías que hacen reactivos los envases de plástico en presencia de oxígeno; en este caso, se adiciona un colorante que, en presencia del oxígeno, cambia de color, por lo que el consumidor puede darse cuenta oportunamente si el producto se encuentra deteriorado. En este caso las nanopartículas, por ser muy reactivas, pueden funcionalizarse para detectar ciertas sustancias químicas, como el oxígeno, y el deterioro de un alimento; incluso se pueden detectar otras sustancias relacionadas con el deterioro del alimento, como el pH, CO2, etanol y otros compuestos químicos presentes en la degradación de alimentos. Si estas nanopartículas las ensamblamos en un dispositivo electrónico, lograríamos diseñar un sistema remoto para tener control sobre la descomposición de los alimentos, lo que traería evidentes beneficios para la salud.
En esta misma línea, la modificación de superficies con nanopartículas de plata es quizás una de las principales aplicaciones de nanopartículas metálicas en el área de envases de alimentos, pues es bien conocido el efecto antibacterial y antiviral de las nanopartículas de plata; en este caso, se propone que el envase, sea plástico o metálico, tenga en su superficie un depósito de nanopartículas de plata, de modo que en esa superficie modificada se inhiba el crecimiento de bacterias, lo cual traería una mayor vida útil del alimento.
PREVENCIÓN DE ENFERMEDADES
En cuanto a la prevención de enfermedades, el cáncer de piel es uno de los que más afectan a nuestra población; en parte se debe a la exposición a la luz ultravioleta del Sol. Existen muchas cremas, con diversos materiales que bloquean este tipo de luz; sin embargo, comparados con los materiales nanométricos, éstos ofrecen una serie de ventajas, como la de permitir una rápida hidratación de la piel, y la alta capacidad de absorber la luz ultra violeta.
NANOPARTÍCULAS EN LA MEDICINA
Dadas sus propiedades únicas, los nanomateriales suelen usarse en diversas áreas de la medicina, como la detección molecular, la administración de fármacos, el seguimiento a largo plazo y la proyección de imágenes no invasivas de la enfermedad in vivo.
Una de las principales aplicaciones es en el cáncer, pues los métodos convencionales (radioterapia, quimioterapia, entre otros) tienden a ser invasivos y no selectivos, de modo que la principal secuela es la afectación del sistema inmunológico, lo cual conlleva diferentes cuadros muy molestos para el paciente.
Aquí puede entrar el uso de nanopartículas como método no convencional. El uso de nanopartículas con propiedades magnéticas y superparamagnéticas, de diversos materiales, ha sido estudiado ampliamente en la última década. La principal característica es que las nanopartículas presenten momentos magnéticos muy importantes, y con esto puedan ser transportadas y enviadas (manipuladas) por medio de campos magnéticos externos; a éstas se les funcionaliza su superficie, con un compuesto orgánico que dé respuesta a cierto tumor o proteína.
En este caso, se requiere de la integración de nanopartículas con el microambiente del tumor. Se busca desarrollar conjugados de nanopartículas que puedan ser inyectados por vías intravenosas y que se auto ensamblen en el tumor, y así puedan ser utilizadas como medios de transporte controlado de agentes químicos (como los anticuerpos o proteínas); en el caso del cáncer, se requiere recubrir estas nanopartículas magnéticas con compuestos orgánicos que interactúen solamente con la parte afectada por el tumor.
Es decir, si ya sabemos que el cáncer se encuentra en los pulmones, podemos llevar las nanopartículas magnéticas a la zona especifica, aplicando un campo magnético sobre éstas, y al enfocar sobre la zona específica, focalizar el efecto del tratamiento, que, en el caso de la quimioterapia, lleva consigo la ventaja de la reducción de la dosis del medicamento que se le aplica al organismo, y aumentar la efectividad terapéutica de la molécula en cuestión, de tal manera que las nanopartículas multifuncionales, una vez que detecten que se han ensamblado al cáncer, liberen el medicamento, para conseguir de esta manera niveles de medicación intracelular más altos que los obtenidos por tratamientos convencionales.
Existen otras aplicaciones de nanopartículas en el área de diagnóstico;, en este caso en particular, suelen emplearse nanopartículas semiconductoras, que presentan propiedades de fluorescencia, y las de óxido de hierro, que son magnéticas, pueden observarse con resonancia magnética nuclear (RMN). En estos momentos se están realizando estudios en el área de diagnóstico y en el área terapéutica; se espera obtener terapias multifuncionales personalizadas para diferentes tipos de tumores y etapas de la progresión del tumor.
SISTEMAS DE ADMINISTRACIÓN
En cuanto a sistemas de administración de medicina, se prevé que las nanopartículas aportarán mejoras significativas a todos los sistemas tradicionales, tales como: menos efectos tóxicos para los pacientes, desarrollo de sistemas menos costosos, mayor disponibilidad, mayor durabilidad de los medicamentos, entre otras mejoras.
En cuanto a los tratamientos de enfermedades, se busca atacar principalmente cáncer, diabetes y enfermedades neurológicas; vale la pena mencionar que estas últimas son de gran relevancia, dada la gran dificultad para suministrar medicamentos al cerebro, debido a la barrera cráneoencefálica. Con el uso de nanopartículas, se ha logrado rebasar dicha barrera, lo que abre la puerta a una infinidad de estudios sobre diagnóstico y tratamiento, así como a estudios básicos que nos ayudarán a entender el funcionamiento del cerebro.
Unas de las características que deben cumplir los nanomateriales usados como transportadoras de fármacos son:
Capacidad de proteger la molécula encapsulada frente a su eventual degradación, desde el momento de la administración hasta llegar al lugar de acción.
Capacidad de atravesar barreras biológicas, como la piel, mucosas, y barrera hematoencefálica.
Capacidad de encontrar compartimentos intracelulares.
Capacidad de controlar la liberación de la molécula activa en su lugar de acción o adsorción.
Como mencionados anteriormente, la administración de medicamentos es, sin lugar a dudas, una de las principales aplicaciones de las nanopartículas; sin embargo, su impacto depende de cómo se administren éstos; así pues, se tiene previsto que los principales medios de administración serán:
i) Sistemas inyectables.
ii) Sistemas de implantación.
iii) Sistemas por vía oral.
iv) Sistemas topicales.
v) Sistemas transdermales
vi) Eliminación de toxinas
Un sueño al que aspiramos llegar es a tener pequeños dispositivos que recorran nuestro cuerpo y se encarguen de limpiar nuestras arterias; que regulen nuestros niveles de azúcar y colesterol, apoyando nuestro sistema inmunológico.
CONCLUSIONES
En conclusión, las nanopartículas metálicas pueden ser una herramienta adecuada para llevar una mejor vida, previniendo futuras enfermedades o situaciones de riesgo, como el respirar sustancias tóxicas como el CO; el exponernos a la luz solar ultravioleta, o el consumir alimentos que se encuentren en perfecto estado (tengan presentes sus características fisicoquímicas (nutricionales) intrínsecas; es decir no degradados).
En el ámbito de la medicina, las nanopartículas están cambiando la forma de administrar y transportar los fármacos; principalmente, se pretende atacar el cáncer en todas sus formas y fases. Un punto que no debemos dejar de mencionar es la biocompatibilidad de los nanomateriales, pues es un campo que apenas se está desarrollando y que es de suma importancia para potenciales aplicaciones.
Imágenes tomadas de:
Figura 1.
Entrega controlada del medicamento hidrofóbico “camptotecina” a célula cancerosa vía nanopartículas de sílice.
www.chem.ucla.edu/dept/Faculty/zink/index.php.
Figura 2
Imagen de microscopia confocal, fluorescencia de células cancerosas PANC-1, que fueron tratadas con nanopartículas funcionalizadas con Camtotecina(CPT), mantenida a la oscuridad, a la izquierda, y a la derecha iluminada con luz a 413nm, foto activando la CPT dentro de las células produciendo apoptosis de las células cancerosas. Escala 30 micras.
http://www.mimg.ucla.edu/faculty/tamanoi/index.htm
Figura 3.
Histología de Microscopia electrónica de barrido y transmisión de a) corazón y b) riñón. Se puede observar la presencia de nanopartículas de Ag en estos órganos, extraídos después de la inyección peritoneal, c) evolución de la concentración de plata en la orina en un periodo de tres semanas; en el recuadro interior se observa el peso de la rata. Tomado de Metallomics, 2010, 2, 204-210.
Figura 4.
Imagen de microscopía electrónica de transmisión de una muestra de P. aeruginosa. a) Muestra control sin nanopartículas de Ag; b) y c) Muestras tratadas con nanopartículas de Ag. Las nanopartículas de plata se pueden apreciar dentro de las bacterias; se observa daño en la membrana celular al compararla con la muestra control. Tomado de Nanotecnology 16 (2005) 2346-2353.
Figura 5.
Imagen de Microscopia electrónica de transmisión con detector de alto ángulo anular de campo oscuro del virus HIV-1, a) Imagen del virus HIV-1, expuesto a nanopartículas de Ag funcionalizadas con BSA; en la parte superior izquierda se muestra el arreglo espacial de forma triangular; b) Imagen del virus HIV-1 sin la exposición a nanopartículas de Ag, donde se muestra un arreglo espacial triangular en la superficie del virus HIV-1. Este arreglo espacial está relacionado con glicoproteínas que son enlazantes del virus con las células huésped. En este estudio se evidenció por primera vez el efecto antiviral de nanopartículas de Ag en el virus del HIV-1. Tomado del Journal of Nanobiotechnology, 2005, 3:6.
Figura 6.
Curvas de distribución de tamaños de nanopartículas de plata, obtenida mediante espectrometría de masas; en el recuadro superior izquierdo se puede observar una imagen de microscopía electrónica de transmisión de una nanopartícula de plata de 4nm.
