Nanomedicina. 19/25. Aplicaciones.

Aplicaciones de la medicina nanológica

(suministro de medicamentos, imagenología y diagnóstico) .

Son vastas las aplicaciones potenciales de la nanotecnología en el campo de la medicina. En esta sección proporcionamos ejemplos que reflejan las áreas más intensivas de la nanomedicina y su investigación ydesarrollo actuales (que implican productos comerciales): suministro dirigido de fármacos, terapias habilitadas nanológicamente, imagenología y diagnóstico. Hemos decidido no hacer una lista exhaustiva de posibles aplicaciones (pues hay cientos) sino ofrecer algunas muestras de las aplicaciones de la medicina nanológica en cada área. Debe notarse que el suministro de fármacos, la imagenología y el diagnóstico no siempre son sectores distintos. En la investigación del cáncer, el fin último es desarrollar dispositivos nanoescalares multifuncionales que actúen como agente imagenológico y terapia anticancerosa.174

1. Suministro de drogas dirigido Nano-proyectiles de oro.

Una de las áreas más publicitadas de la investigación en medicina nanológica implica el uso de nano-proyectiles de oro que detecten y traten los tumores cancerosos. Aquí estamos ante un caso donde la detección y la terapia se traslapan: Los nano-proyectiles son agentes imagenológicos que funcionan también como agentes terapéuticos. Aunque la idea de los nano-proyectiles se remonta a principios de los años cincuenta, su creación se pospuso por varias décadas hasta que fue posible diseñarlos con ingeniería nanoescalar de partículas.175 En los años noventa, Naomi Halas, de Rice University (Houston, EU), desarrolló nano-proyectiles de oro. En 2002, ella y su colega, Jennifer West, también de Rice, formaron una empresa de innovación llamada Nanoespectra Biosciences Inc. Desde entonces, la compañía ha recibido más de 5 millones de dólares en financiamiento para desarrollar los usos médicos de los nano-proyectiles de oro (incluidos más de 3 millones procedentes de fondos federales).176 Se espera conseguir datos de pruebas realizadas con humanos para principios de 2007.177

Los nano-proyectiles de Halas son partículas de sílice (vidrio) completamente recubiertas de oro, construidas a partir de unos cuantos millones de átomos. Pueden producirse en un rango de tamaños, con diámetros menores a los 100 nm o tan grandes como varios cientos de nanómetros. La manufactura de los nano-proyectiles requiere técnicas de ingeniería nanológica con el fin de calibrar con finura el grosor nanoescalar del recubrimiento de oro, y que así exhiban las propiedades ópticas deseadas. Cuando se inyectan al torrente sanguíneo, naturalmente se congregan en los sitios tumorales —por lo que no es necesario redireccionarlos. Cuando los tumores crecen, crean a veces, muy rápido, muchísimos vasos sanguíneos. Como tal, esos vasos son frecuentemente deficientes, lo que permite que los nanoproyectiles se escurran por entre las “grietas” vasculares y lleguen al tumor.

Detectar y bombardear tumores haciendo uso de sus defectos vasculares circundantes se conoce como “efecto de permeabilidad y retención acentuadas” o efecto EPR. Halas describe un nano-proyectil como “una lente nanoscópica, en esencia”, pues captura la luz y luego la enfoca en torno de sí misma.178 Si se manipula el tamaño de los nano-proyectiles —del núcleo de vidrio y de su recubrimiento de oro—, es posible alterar la forma en que absorben la luz. En la detección y la terapia del cáncer el objetivo es “calibrar” los nano-proyectiles para que interactúen con luz cercana al infrarrojo (conocida comúnmente como NIR por sus siglas en inglés).179 Cuando se les expone a una luz NIR, los nano-proyectiles actúan como un enjambre de luciérnagas que iluminan el área donde se congregan (los sitios tumorales).

Una vez que los nano-proyectiles completaron sus tareas imagenológicas, se vuelven agentes terapéuticos. Si se alumbra con un láser cercano al infrarrojo el sitio tumoral desde fuera del cuerpo (la luz puede viajar a través de los tejidos más de 10 centímetros), los nano-proyectiles absorben la luz y la enfocan en el tumor. El área circundante a los nano-proyectiles se calienta y “cocina” el tumor hasta su disipación. Esto no es tan diferente del experimento de ciencia con que nos ilustraban en la infancia: El nano-proyectil funciona como una lente de aumento, el láser es el sol y el tumor se calienta como una hoja de hierba.

En 2005, Halas describía los impactantes resultados del tratamiento del cáncer con nano-proyectiles aplicados en ratones: “Una vez que [los nano-proyectiles] están en su lugar, la luz infrarroja se lanza desde fuera de la piel y se dirige al sitio tumoral. Esto implica el uso de un láser manual, muy simple de usar, y sólo bastan tres minutos... En los estudios con ratones hemos podido observar la completa remisión de los tumores en el lapso de diez días. Usamos dos grupos-control y sus tumores siguieron creciendo drásticamente hasta el fin. Pero los ratones que fueron tratados con nano-proyectiles sobrevivieron al estudio y presentaron una supervivencia del 100 por ciento, que persistió. Esa prueba se hizo en 2003. Hace casi dos años. Así que parece que la mayoría de esos ratones habrá de morirse de viejos.”180

Halas resalta el hecho de que los nano-proyectiles no dejan “rastros tóxicos” en el cuerpo, mientras que los agentes convencionales quimio-terapéuticos sí. El sitio electrónico de Nanospectra afirma que “los estudios de largo plazo no indican toxicidad alguna ni efectos sobre el sistema inmunológico”.181 Estas afirmaciones deberán inspeccionarse con mucho detalle ya que es muy probable que los nanoproyectiles se asienten permanentemente en el cuerpo —y no queda claro, hasta ahora, cómo podrá excretarlos.

2. Nano-partículas terapéuticas ¿Una bala de plata nanoscópica?
Los productos médicos que incorporan plata nanoescalar están entre los primeros éxitos comerciales de la nanotecnología. Aunque las propiedades antimicrobianas de la plata son conocidas hace miles de años, el incremento en el área superficial de las nano-partículas de plata diseñadas con ingeniería nanológica (de 1 a 100 nm) las torna más reactivas químicamente y resalta sus propiedades terapéuticas.

Nucryst Pharmaceuticals (una subsidiaria de Westaim Corporation) fabrica recubrimientos de heridas y quemaduras impregnados con plata nanoscópica con el fin de combatir la infección y la inflamación. La plata mata las bacterias y los virus al impedir el transporte de electrones en los microbios y desfasar la replicación celular cuando entra en contacto con el ADN. Los iones de plata (átomos que tienen una carga eléctrica debido al cambio en el número de electrones) pueden perturbar las estructuras microbianas y sus funciones.182 El lado problemático es que los altos niveles de iones de plata, liberados por periodos prolongados de tiempo, pueden matar también las células, por lo que debe controlarse la exposición a ellos.183

Smith & Nephew, una de las firmas de equipo médico más grandes del mundo, vende los recubrimientos de heridas con capa de plata de Nucryst en treinta países, con el nombre de Acticoat. La demanda de recubrimientos antimicrobianos crece debido a que, con mucha rapidez, diversas bacterias se están volviendo resistentes a los antibióticos. Smith & Nephew afirma que el Acticoat es efectivo contra 150 patógenos, incluidos algunos microrganismos resistentes.184

Johnson & Johnson, Bristol-Myers Squibb y Medline Industries, entre otras compañías, comercializan ya productos médicos basados en plata nanoscópica. Pero los recubrimientos de heridas son sólo el principio. Dado que se calcula que las infecciones bacterianas relacionadas con la hospitalización son la quinta causa de muerte en Estados Unidos, las compañías intentan que se recubra con plata nanoscópica el instrumental quirúrgico, las sábanas de las camas y las cortinas de los hospitales.185 En diciembre de 2005 la FDA concedió la aprobación de un catéter (un tubo para transportar líquidos) recubierto con plata antimicrobiana para su implantación en el cuerpo humano.186

Los recubrimientos de plata nanoscópica se usan también como dispositivos antimicrobianos en los productos de consumo, como el acabado de refrigeradores, las escobas, los recipientes para almacenar alimentos y la ropa. SmartSilver son unos calcetines antimicrobianos que se venden a los soldados en las tiendas del ejército estadunidense, y los investigadores desarrollan telas con recubrimientos de plata nanoescalar que son descritas como “auto-limpiadoras”.187 Una nueva lavadora de ropa lanzada al mercado por Samsung (llamada SilverCare) inyecta iones de plata al agua de lavado y enjuague. Samsung afirma que los iones de plata penetran la tela y matan las bacterias sin necesidad de agua caliente o blanqueador. Los especialistas en tratamiento de aguas a nivel municipal se preguntan si la plata nanoscópica en las lavadoras de ropa podría ocasionar serios problemas si las partículas de plata se descargan a los drenajes y matan plancton, lo que perturbaría la cadena alimenticia.188 A petición hecha a principios de 2006 por la asociación estadunidense de dependencias en pro de agua limpia [National Association of Clean Water Agencies], la Agencia de Protección Ambiental del gobierno estadunidense consideró en junio de 2006 la revisión y clasificación de los productos que contuvieran nano-partículas de plata como plaguicidas —es decir, con la capacidad de matar vida vegetal.189

3. Nano-partículas aplicadas a la imagenología y el diagnóstico biomédico
Los “puntos cuánticos” son nanopartículas semiconductoras que cuentan con propiedades ópticas y eléctricas únicas. Cuando se exponen a la luz, estas partículas nanoscópicas emiten claramente colores diferentes dependiendo de su tamaño. (A menor tamaño del punto cuántico, mayor la brillantez del color.) Aunque por décadas se han usado tintes fluorescentes en el cuerpo humano con fines de imagenología biomédica (para rastrear los efectos de fármacos anticancerosos, por ejemplo), con frecuencia son imprecisos y sólo son visibles por periodos cortos de tiempo. Los investigadores biomédicos esperan que los puntos cuánticos fluorescentes brinden una alternativa más luminosa, más precisa y más duradera. Los puntos cuánticos fluorescentes ya se utilizan en el rastreo o la identificación de material biológico in vitro e in vivo en animales (no en humanos) con propósitos de investigación. Los puntos cuánticos pueden inyectarse a las células o adherirse a las proteínas con el fin de rastrear, etiquetar o identificar moléculas biológicas específicas. Para los investigadores biomédicos, la ventaja potencial de la utilización de puntos cuánticos en imagenología del interior del cuerpo humano es que ofrecen la “más avanzada sensibilidad de detección” —una proteína simple, a la que se adhiere un punto cuántico fluorescente, puede ser rastreada dentro de una célula viva.190

Los puntos cuánticos diseñados con ingeniería nanológica ya se emplean en la electrónica (en pantallas planas de computadoras y televisores) pero no han recibido aprobación para usarse en terapéutica o diagnóstico, en gran medida porque existe la preocupación de que potencialmente sean tóxicos. La investigación actual sugiere que “en ciertas condiciones, los puntos cuánticos pueden implicar riesgos para la salud humana o ambiental”.191 El núcleo interno de la mayoría de los puntos cuánticos está hecho de cadmio y selenio, que son conocidos como causantes (en bajas concentraciones) de intoxicaciones agudas y crónicas en vertebrados.

En un intento por hacer que los puntos cuánticos sean seguros y biológicamente compatibles, su núcleo y su cáscara interna se encapsulan dentro de un recubrimiento bioactivo que los “funcionaliza” —y los vuelve adecuados para la imagenología molecular o el suministro de fármacos, por ejemplo. Sin embargo, si el recubrimiento exterior se degrada, puede dejar expuesto el núcleo tóxico. Los puntos cuánticos pueden permanecer dentro de las células por semanas o meses —pero no conocemos casi nada de cómo se metabolizan estas nanopartículas dentro del cuerpo o cuáles son sus rutas de excreción.192

Una reciente revisión toxicológica de los puntos cuánticos realizada por el investigador Ron Hardman de Duke University (en Carolina del Norte, Estados Unidos), concluye que no será fácil determinar cuáles puntos cuánticos implican problemas porque —como ocurre con las nano-partículas en general—, aun aquéllas que son químicamente similares pueden tener características físicas y toxicológicas drásticamente diferentes. Con los puntos cuánticos el tamaño, la forma y la composición de su núcleo metálico y de su cáscara exterior pueden ser un factor para determinar su toxicidad. El resultado es que “cada tipo de punto cuántico deberá caracterizarse en lo individual, para determinar su potencial tóxico”.193

¿Puntos de carbono?

Los investigadores de Clemson University (Carolina del Sur, EUA), han desarrollado recientemente un nuevo tipo de punto cuántico a partir de carbono, y consideran que podría ser más benigno que las partículas compuestas de cadmio, selenio o plomo.194 Cuando se cubren nanopartículas de carbono con polímeros especiales, destellan con brillantez cuando se les expone a la luz. Los investigadores creen que la fotoluminiscencia puede deberse a la presencia de “bolsas” que atrapan la energía o a agujeros en su superficie.

Detectores de ADN.

Nanosphere, Inc. (Illinois, EUA) ha desarrollado un ultrasensible detector de ADN y de proteínas —consistente en dos instrumentos, cada uno del tamaño de una computadora de mesa— que la compañía afirma que cuenta con “niveles más sensitivos que otras técnicas de detección” y que “cambiará por completo la forma en que el mundo considera el diagnóstico”.195 A partir de muestras de sangre y saliva, el detector de ADN, llamado Verigene, automatiza la identificación y el análisis de ácidos nucleicos y proteínas. El detector de ADN revelará, por ejemplo, si un paciente presenta una mutación genética que lo predisponga a una enfermedad o lo haga propenso a desarrollar coágulos durante un proceso de cirugía. La compañía asevera que su producto puede detectar proteínas en concentraciones mil veces menores que los métodos actuales —permitiendo detectar una proteína liberada en el cuerpo durante un ataque al corazón, o incluso, algún día, la proteína asociada con las etapas tempranas del Alzheimer.

El sistema Verigene utiliza diferentes técnicas para detectar ADN y proteínas, pero ambos sistemas utilizan nano-partículas de oro para crear sondeos muy selectivos y sensibles. Cuando los sondeos se combinan con una muestra, sólo pueden dirigirse a —y vincularse con— la construcción genética complementaria. El sistema es capaz de identificar marcadores genéticos en una sola prueba.

Nano-sensores médicos.

Los investigadores de la Universidad de Illinois desarrollan un diminuto dispositivo implantable que permitiría a los diabéticos supervisar los niveles de glucosa sin extraerse sangre.196 Los sensores están hechos de nanotubos de carbono —moléculas de carbono puro en forma de cilindro— que fluorescen naturalmente cuando los ilumina una luz infrarroja. El objetivo es desarrollar un sensor que pueda implantarse justo bajo la piel y que envíe una señal óptica cuando la ilumina una luz infrarroja. En esencia, mientras más glucosa haya en el cuerpo, con mayor brillantez destellarán los nano tubos. Los sensores de glucosa implantables son únicamente el primer paso. Los investigadores confían en que algún día desarrollarán otros sensores para un amplio rango de sustancias bioquímicas tales como hormonas, colesterol o la presencia de drogas.

4. Ingeniería de tejidos/implantes
La medicina regenerativa es descrita como “la vanguardia del cuidado a la salud del siglo XXI” porque ofrece la promesa de reemplazar o regenerar tejidos y órganos.197 Los investigadores emplean ya tecnologías nanoescalares para impulsar una ingeniería de tejidos, con el fin de crear tejidos y órganos totalmente biológicos o biohíbridos in vitro (es decir, en el laboratorio) que puedan implantarse de forma segura en el cuerpo humano. Un informe de 2005 preparado por el US Department of Health and Human Services predice con entusiasmo que el mercado mundial para la medicina regenerativa será de 500 mil millones para 2010 (esta cifra no se limita a la medicina regenerativa habilitada nanológicamente).198

Ingeniería de tejidos.

La nanotecnología juega un papel clave en la ingeniería de tejidos porque opera en la escala molecular y es capaz de integrar materiales biológicos y no biológicos. Por ejemplo, los investigadores están utilizando estructuras nanoscópicas auto-replicantes para crear colágeno artificial (es decir, proteínas de tejido conectivo que son el componente proteico principal en huesos, piel, dientes y tendones). Dado que las proteínas colágenas son un componente estructural importante en los tejidos y órganos corporales, los investigadores esperan utilizar colágeno artificial nano-estructurado como andamiaje tridimensional necesario para impulsar la regeneración celular —y que así crezcan células, tejidos e incluso órganos específicos.199 Los investigadores ya usan esta técnica para crecer tejido de vejiga.200 Cerca de 160 mil personas en Estados Unidos son tratadas de cáncer de vejiga anualmente, lo que requiere quitarles porciones de su órgano. Para reemplazar el tejido que se quitó quirúrgicamente, los científicos deben crear primero un andamiaje biocompatible sobre el cual puedan crecer de nuevo las células nuevas de la vejiga del paciente. Los investigadores de Purdue University están utilizando polímeros nanoestructurados (moléculas de cadena larga), biocompatibles, biodegradables y flexibles para construir un andamiaje tridimensional con protuberancias nanométricas que atraviesan su superficie. El andamiaje nanoestructurado con polímeros es entonces “inseminado” con células de vejiga extraídas del paciente. Dado que las células de vejiga provienen del paciente que recibirá el transplante, el nuevo tejido tiene menos probabilidad de provocar rechazo. Se reporta que las células crecen más rápido cuando se les proporciona un andamiaje con rasgos de superficie nanoescalar. La esperanza es que, tras ser implantado en el cuerpo humano, el andamiaje se disuelva lentamente, dejando intacto el tejido funcional de vejiga.

En abril de 2006, los investigadores informaron que las primeras vejigas urinarias crecidas en laboratorio y transplantadas a siete niños y adultos jóvenes ya funcionaban eficazmente por casi cuatro años.201 Washington Post describió la hazaña como el Santo Grial de la medicina: “el primer cultivo de reemplazos que funcionan, para remediar los órganos deficientes de la gente”.202 Estos transplantes de vejiga se llevan a cabo a nivel experimental, y no han recibido la aprobación de la FDA estadunidense. La compañía que está comercializando la tecnología de transplantes, Tengion, no ha revelado el costo estimado de un transplante así. Trasplantar vejigas que crecen a partir de las propias células de un paciente marca el inicio de una era de “medicina del rejuvenecimiento” en la cual los órganos que no se desempeñan adecuadamente —debido a enfermedades o a la edad— pueden cambiarse por modelos que funcionen mejor. Algunos futuristas esperan amasar una colección de refacciones —incluso corazones— anticipándose a la inevitable decadencia del cuerpo.203

Materiales para el injerto de huesos.

Los materiales nanoescalares se utilizan en el desarrollo de injertos de reemplazo de hueso que cuentan con mayor durabilidad, bioactividad y fuerza. NanoCoatings Ltd. (Australia) está desarrollando una tecnología para producir material sintético de reemplazo de huesos que podría usarse como injerto o como recubrimiento bioactivo en articulaciones artificiales —tales como los implantes dentales y los reemplazos de caderas o rodillas. El material de injerto de huesos, aún en las primeras etapas de su desarrollo, se deriva de la hydroxyapatita —una cerámica de fosfato de calcio que surge naturalmente, y que es también un componente mineral del esmalte dental y de los huesos— a la cual se recubre con carbonato de apatita nanoescalar.204