Lunes, 24 de abril de 2017

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Aplicaciones biomédicas de la Nanociencia


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Los avances científicos, las necesidades sociales y la demanda industrial han condicionado a lo largo de la historia de la humanidad la existencia de grandes hitos del desarrollo del saber. Su aplicación posterior siempre se ha traducido en un avance social, es decir la ciencia como motor de las nuevas tecnologías es evidente.

Estas, no surgen de forma espontánea sino como el desarrollo y maduración de descubrimientos significativos. Así podríamos destacar como grandes hitos: El descubrimiento de la ley de inducción electromagnética que abrió las puertas de la conversión y utilización de la energía eléctrica; el descubrimiento del transistor permitió el desarrollo de una nueva electrónica que ha permitido al hombre llegar a la luna y tener una vida mas duradera y de mayor calidad.

La madurez de la sociedad y su avidez para dar acogida a una nueva ciencia se ve reflejada por claros indicios. Los albores del siglo XXI están marcando el umbral de una etapa en el que las limitaciones impuestas por el nivel de la integración electrónica, la rapidez en la comunicaciones, los métodos de diagnostico de enfermedades y su terapia etc.., podrían ser solventados mediante el uso de nuevos sistemas de observación y control de la producción de materiales a escala nanométrica (1 nanometro = 0.000000001m).

Si la anterior era había permitido el control y manipulación a escala micrométrica (1 micra = 0.000001m), las nuevas tecnologías basadas en la utilización de microscopios de fuerza atómica y electrónicos permiten observar y controlar los crecimientos de nanosistemas prácticamente a nivel atómico. Es por ello que la imagen visionaria de nanorobots circulando por el cuerpo humano navegando en el torrente sanguíneo hoy en día constituye la base, no de películas, sino de verdaderos proyectos de investigación a los que se están sumando las principales empresas e instituciones.

En el ámbito de la nanociencia una célula es muy grande, una bacteria tiene unos 1000 nanómetros de largo y las células de los mamíferos son aún más grandes. Lo que podría parecer un sueño, como el de extraer una proteína y que realice un trabajo, hoy en día es una realidad. Se han construido nanomotores biológicos que podrían ser la base de las nanomáquinas construidas con técnicas de litografía y organización molecular.

En nuestro recién creado Instituto Universitario de Investigación de Nanociencia de Aragón hemos apostado por este campo tan importante y que está cambiando día a día las técnicas de diagnóstico, terapéuticas y una nueva concepción de la cirugía mínimamente invasiva.

En el presente artículo, destacaremos algunos de los retos más singulares que tenemos en este momento.

Biosensores para detectar enfermedades, su origen y tratamiento

La secuencia del genoma humano ha marcado un hito en la Historia de la Humanidad. El desarrollo tecnológico y el conocimiento los genes humanos permite en la actualidad analizar a más de 30.000 genes en un único experimento. Este barrido a gran escala de los elementos del genoma permite seleccionar aquellos genes implicados en una determinada enfermedad. Las herramientas actuales para hacer este tipo de análisis son los biochips o “microarrays que nos permiten identificar, entre otras muchas cosas, pequeños defectos en la secuencia de los genes. Estas pequeñas variaciones son las responsables de algunas enfermedades y su identificación resulta de gran utilidad para poder llegar a conocer la predisposición genética que tiene cada persona de padecer determinadas enfermedades, tumores, etc., lo que permite la puesta en marcha de medidas de profilaxis y tratamientos muy precoces. Por tanto, los futuros estudios se están centrado en la búsqueda de esos pequeños cambios puntuales en la secuencia genómica de los individuos y en el desarrollo de este tipo de biochips. La disponibilidad de estas herramientas permite analizar simultáneamente cientos o incluso miles de esas diferencias, enriqueciendo cada vez más las bases de datos clínicos, lo que aumenta día a día la especificidad de estas pruebas.

Mejores herramientas de diagnóstico

La introducción en el torrente sanguíneo de nanopartículas biocompatibles, previamente tratadas para que sean capaces de “perseguir” y unirse a determinadas células atípicas está abriendo un inmenso campo de posibilidades no solo en el diagnóstico, sino también en la terapéutica.

La incorporación de nanopartículas a medios de contraste de nuevo diseño mejorará la resolución de imágenes radiológicas, ecográficas, de resonancia magnética, etc. o marcará posibles áreas de riesgo, lo que hará posible llegar a diagnósticos mucho más precisos y en fases muy incipientes en ciertas enfermedades malignas. ¿Se imaginan el avance si se pudiesen detectar tumores del tamaño de la cabeza de un alfiler?

Focalizar en el tumor los efectos de la quimioterapia

Algunas nanopartículas pueden “cargarse” con fármacos quimioterápicos empleados para el tratamiento de ciertos tipos de tumores. Estamos investigando sobre determinadas nanopartículas magnéticas que puedan ser atraídas hacia un punto tumoral previamente señalizado.

Pie de foto: Imágenes obtenidas con un microscopio electrónico de transmisión de alta resolución (nanométrica), donde se puede observar una nanopartícula de óxido de hierro (magnético) encapsulada en carbón. En segunda imagen, se observa en detalle las capas grafíticas así como los planos atómicos de la nanopartícula.

Estos nanomensajeros, viajando por el torrente sanguíneo, portan los fármacos citotóxicos hasta el lugar donde se encuentra el tumor. Al aglomerarse en su interior, la liberación del fármaco es progresiva y con una acción muy localizada, evitándose efectos colaterales de la droga en el resto del organismo.

Este método permitiría así lograr una concentración muy elevada del fármaco la zona dañada evitando la acción devastadora y agresiva del mismo sobre las células sanas.

Pie de foto: Ilustración de suministro local de fármacos mediante portadores magnéticos. El fármaco se suministra por via sitémica y posteriormente se focaliza mediante un imán externo que atrae las partículas magnéticas sobre el órgano dañado, donde libera el fármaco.

Termoterapia antitumoral por hipertermia

Aunque la termoterapia se viene utilizando de antaño en el tratamiento de los tumores, el empleo específico de determinadas nanopartículas magnéticas “focalizadas” en el área tumoral mejoraría las posibilidades de su aplicación. En efecto, una vez adosadas estas partículas al tumor, podrían ser calentadas selectivamente mediante fuentes externas de radiofrecuencia.

Reparación de tejidos y recubrimientos de prótesis

Los avances en la obtención de nanopartículas han hecho posible el logro de elementos artificiales que a modo de “nanograpas” facilitan la reparación de fracturas óseas patológicas. Las nanopartículas pueden utilizarse también en la fabricación de estructuras que facilitan el desarrollo de cultivos celulares destinados a la reparación de tejidos (ingeniería tisular), y puede que en un futuro hasta en la regeneración de órganos. Asimismo, la textura de ciertos implantes lograda con nanopartículas mejora su biocompatibilidad y duración.

Producción de bioferrofluidos

La mayor parte de estas aplicaciones llevan consigo el desarrollo de bioferrofluidos, es decir suspensiones coloidales de nanopartículas magnéticas. El problema es que dichas partículas no son biocompatibles, por lo que han de ser encapsuladas. Las lineas de investigación que estamos desarrollando se basan en el encapsulamiento a nivel nanométrico de partículas de hierro, niquel y cobalto en capas grafíticas (el carbón es inerte y hace que la partícula de hierro sea biocompatible).

Este recubrimiento además tiene otras funciones muy importantes para su aplicaciones en biomedicina, por ejemplo:

a) Puede adsorber y desadsorber fármacos, lo que posibilita sus posibles aplicaciones en quimioterapia.

b) La superficie carbonosa envolvente puede captar determinados anticuerpos que se unen específicamente a antígenos. Esto permite su utilización en la detección de la adición fraudulenta de hormonas en carnes (proyecto en curso con la empresa de biotecnología CERTEST) o en la detección de inmoglobulinas en sangre (en colaboración el Hospital Clínico Universitario).

c) Inmovilización de proteinas en nanopartículas con fines terapeúticos.

Grupo de investigadores colaboradores en estos proyectos:

  • Dra. Clara Marquina
  • D. David Serrate
  • D. Rodrigo Fernandez-Pacheco
  • Dr. Martin Gutierrez, Dr. Luis Larraz
  • Dr. Carlos Gómez-Moreno
  • Dra. A. Prieto
  • Dr. Carlos Genzor
  • Dr. M. Pocoví

Fecha Aragón Investiga: 04/10/2004


Ficheros adjuntos


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