Doctor Víctor M. Castaño*
Centro de Física Aplicada y Tecnología Avanzada UNAM. En estancia sabática en la Universidad Autónoma de Querétaro meneses@unam.mx
Doctor Delfino Cornejo
Posdoctorado en el Centro de Física Aplicada y Tecnología Avanzada UANM, Campus Juriquilla delfinocm@gmail.com
INTRODUCCIÓN
Los problemas médicos han existido en todas las civilizaciones (1). El hombre, con el deseo de sanar, desde tiempos ancestrales se ha auxiliado del uso de plantas, animales y minerales (2). Con el transcurso de los años, se han logrado avances significativos, descubrimientos de antibióticos, vacunas, fármacos, e incluso el trasplante de órganos. Pero aún en el presente existen diversas enfermedades que no se pueden curar o tratar adecuadamente.
El progreso de la ciencia y la tecnología han dado origen a un nuevo campo de investigación: la nanomedicina. La nanomedicina se encuentra en los límites de la física, la química, la biología y las ciencias médicas (3). La importancia de la nanomedicina radica en el desarrollo de métodos novedosos para diagnosticar, tratar y prevenir enfermedades y lesiones traumáticas, a escala celular y sub-celular, mediante el empleo de nanomateriales y el conocimiento molecular del cuerpo humano (3-5).
Los nanomateriales son materiales con al menos una característica dimensional menor o cercana a los 100 nanómetros. Esta característica dimensional puede ser el diámetro de una partícula, el tamaño de grano, espesor de capa o el ancho de una línea de conducción en un chip electrónico (6). Terminológicamente hablando, el prefijo “nano” se refiere a una mil millonésima parte de la unidad (en término anglosajón sería una billonésima parte de la unidad). Un nanómetro (nm) es una mil millonésima parte de un metro (1 nm = 1×10-9 m). La escala nanométrica es el espacio de acción de las moléculas y sus interacciones. Los nanomateriales tienen propiedades fisicoquímicas únicas, tales como tamaño ultra pequeño, enorme área superficial con relación a su masa y alta reactividad, que difieren de los materiales en bulto de la misma composición. Estas propiedades pueden emplearse para superar las limitaciones de los tratamientos y diagnósticos médicos convencionales.
NANOPARTÍCULAS EN MEDICINA
El empleo de nanopartículas y nanodispositivos provee la libertad de modificar libremente las propiedades fundamentales, tales como solubilidad, difusividad, vida-media en circulación sanguínea, liberación controlada de uno o más fármacos e inmunogenicidad (7).
Con el uso de herramientas y dispositivos a escala nanométrica, se augura el poder tratar las enfermedades en el ámbito celular-molecular, haciendo los procesos más sensibles y específicos. Las nanopartículas, como sistemas terapéuticos, permiten la identificación específica y la liberación de dosis controlada (8). En aplicaciones de diagnóstico, permiten la identificación a escala molecular; ayudan a identificar anormalidades, como fragmentos de virus, células precancerosas y marcadores de enfermedades que no pueden ser detectadas con diagnósticos convencionales. Como agentes de contraste para la obtención de imágenes, han demostrado mejorar la sensibilidad y especificidad (7).
ALGUNOS EJEMPLOS DE ACTUALIDAD
En las últimas dos décadas, y con el uso de nanopartículas, se han desarrollado diversas terapias y agentes de diagnóstico, para el tratamiento del cáncer, diabetes, dolor, asma, alergias, infecciones y demás (9). Estos desarrollos pueden proveer mayor efectividad (10) o rutas más convenientes para la administración de fármacos, reducción de toxicidad, extender la vida útil del fármaco y, finalmente, reducir los costos de recuperar la salud.
En nuestro grupo de investigación, en la actualidad trabajamos en diversos proyectos, que involucran la aplicación de nanomateriales en medicina. Entre ellos, figura la aplicación de nanocorazas para el tratamiento y detección del cáncer.
El cáncer de mama es el más común entre las mujeres, y es la segunda causa de muertes por cáncer entre las mujeres, en todo el mundo (11). Una detección rápida y precisa de las células cancerígenas es un gran reto para el diagnóstico y tratamiento exitoso del tumor.
Existen diferentes tratamientos convencionales para el cáncer; entre ellos cirugía, radiación, quimioterapia y terapias biológicas (inmunoterapia). Éstas están limitadas por la accesibilidad al tumor, el riesgo de operar cerca de o en un órgano vital; el riesgo de extender las células cancerígenas dentro del cuerpo y la falta de selectividad para con las células del tumor, lo que hace estos tratamientos poco eficientes (12).
LAS NANOCORAZAS
Las nanocorazas son nanoestructuras esféricas formadas por un material dieléctrico en el núcleo, el cual es cubierto por una delgada coraza metálica, la cual típicamente es de oro o de plata. Dichas nanoestructuras son de gran interés, debido a sus extraordinarias propiedades ópticas, químicas y electrónicas (13). Las nanocorazas de oro pueden ser diseñadas para que absorban o dispersen radiación incidente a longitudes de onda específica, especialmente en el cercano infrarrojo.
En este intervalo de energía, los principales componentes de los tejidos del cuerpo, como son: agua, hemoglobina y oxihemoglobina, presentan una mínima absorción (14), por lo cual las nanocorazas podrían ser potencialmente útiles para el tratamiento del cáncer (15). Para ello, se deben fabricar nanocorazas que absorban la radiación a este rango de longitud de onda y la conviertan en calor.
Es conocido que la absorción de luz origina calor; este calor calcinaría las células cancerígenas (necrosis); adicionalmente, para la detección de tumores cancerígenos, en vez de fabricar nanocorazas que absorban la radiación incidente, se diseñarían nanocorazas que la dispersen, y empleando un microscopio adecuado (inclusive una cámara infrarroja), se podría detectar el tumor por una diferencia de contraste en la imagen.
Ahora, ya sea para el tratamiento o detección exitosa de tumores cancerígenos, es necesario posicionar las nanocorazas específicamente sobre las células cancerígenas; para lograr esto, es necesaria la bioconjugación de las nanocorazas; la bioconjugación guiaría las nanoestructuras hacia las células cancerígenas. Adicionalmente a todo esto, es de suma importancia que los materiales para la fabricación de las nanocorazas sean biocompatibles; es decir, que no sean tóxicos para el organismo (16).
Hasta la fecha, hemos sintetizado nanopartículas de SiO2 de diferentes diámetros; las cuales se emplean como núcleo para la fabricación de nanocorazas metálicas. Asimismo, se sintetizaron pequeñas nanopartículas de oro (de entre 2 y 5 nanómetros) las cuales actúan como catalizadores en la superficie de las nanoesferas de SiO2 para la formación de la coraza de oro, y finalmente las nanocorazas de oro, cuyas propiedades se activan desde el visible hasta el infrarrojo cercano.
APLICACIÓN DE NANOMATERIALES
Para conocer la biocompatibilidad y la correcta aplicación de nanomateriales en medicina, estamos realizando pruebas in vitro de citotoxicidad de nanopartículas de SiO2 y Au de diferentes diámetros en líneas celulares, en ambientes controlados, con la finalidad de estudiar los efectos tóxicos respecto de la composición, tamaño y concentración de las nanopartículas. Paralelamente, se ejecutan pruebas de respuesta inmune en ratas de dos semanas de vida. La finalidad de esta serie experimental será caracterizar la respuesta inmunológica a corto y mediano plazo, inducida por la presencia de nanopartículas de oro, dióxido de silicio y nanocorazas de oro.
Nuestro trabajo futuro es la bioconjugación; proceso clave prácticamente en cualquier aplicación de nanomateriales en medicina. Involucra el estudio de cómo trabajan los receptores biológicos a escala molecular, con la finalidad de identificar o construir sitios que generen enlaces entre las células o moléculas y las nanopartículas.
COMENTARIOS FINALES
Hasta 2006, más de 150 empresas desarrollaban nano-terapias (17) y cerca de 24 productos nanoterapéuticos habían sido aprobados para uso clínico, con un total de ventas que excedían los 5.4 mil millones de dólares (17). Se espera que el mercado global de aplicaciones nanotecnológicas en el campo de la medicina pueda crecer a 70-160 mil millones de dólares para el año 2015 (18).
Se prevé que, en el corto plazo, la nanomedicina pueda tratar muchas enfermedades de importancia, mediante el uso de nanomateriales y nanodispositivos simples que pueden fabricarse en el presente, incluso la interacción de nanomateriales con sistemas biológicos (4). En el mediano plazo, la nanomedicina hará posible avances más significativos en medicina molecular y bio robótica, incluidos bio robots u organismos ingenieriles (4).
A largo plazo, en 10-20 años, los primeros sistemas moleculares y los nano robots podrán formar parte del armamento médico, dando finalmente herramientas más potentes e inimaginables para vencer las enfermedades, la mala salud e inclusive el envejecimiento (4) o la fabricación de un órgano en un chip (19).
BIBLIOGRAFÍA
1. E. Boisselier, D. Astruc, Chem. Soc. Rev. 38, 1759 (2009).
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3. V. K. Varadan, L. chen, J. Xie, Nanomedicine: design and applications of magnetic nanomaterials, nanosensors and nanosystems. (Wiley, United Kingdom, 2008).
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10. S. Dharmapuri et al., Gene. Ther., (2011).
11. M. Ljungman, Chem. Rev. 109, 2929 (2009).
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13. D. J. Wu, X. J. Liu, L. L. Liu, W. P. Qian, Appl. Phys. A: Mater. Sci. Process. 92, 279 (2008).
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18. J. Shi, A. R. Votruba, O. C. Farokhzad, R. Langer, Nano. Lett. 10, 3223 (2010).
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