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De los test COVID al tratamiento del cáncer: la revolución de la nanomedicina

Por Fernando Herranz* (CSIC) y Mar Gulis

Un amigo mío [Albert R. Hibbs] comentaba, aunque sea una idea loca, lo interesante que sería en cirugía si el paciente se pudiera tragar al cirujano. Pones al cirujano mecánico en los vasos sanguíneos y se dirige al corazón “mirando” alrededor […]. Esa máquina encuentra qué válvula es la defectuosa, saca el cuchillo y la corta. Otras máquinas podrían incorporarse en el cuerpo de forma permanente para asistir en el funcionamiento de algún órgano defectuoso.

Este es un extracto de la famosa charla que el físico teórico Richard Feynman dio en 1959 en la reunión anual de la American Physics Society. En esa intervención, considerada como el origen de la nanotecnología, el científico y su colega Hibbs se anticiparon a muchos de los conceptos y desarrollos que hoy son una realidad, como el uso de nanomateriales para mejorar el diagnóstico y el tratamiento de una patología.

Treinta años después de la charla de Feynman, en la década de los 90, la investigación en nanomedicina comenzó a crecer de forma sistemática y, a partir del año 2000, experimentó una auténtica explosión. Pasadas poco más de dos décadas, la comunidad científica ha generado un catálogo de nanomateriales con aplicaciones para problemas biomédicos tan amplio como sorprendente. Los test para detectar en casa enfermedades como la COVID-19, o los eficientes mensajeros que, dentro de nuestro organismo, entregan en tiempo y forma un fármaco allí donde se necesita, o incluso tratamientos de ciertas patologías son solo algunos de los muchos logros de la nanotecnología aplicada a la medicina.

El nanomaterial más empleado en los kits para la COVID-19 son las nanopartículas de oro. / Jernej Furman

Lo más importante de un nanomaterial es el tamaño porque, a medida que aumenta o disminuye, sus propiedades ópticas, magnéticas o eléctricas, entre otras, pueden ser completamente distintas. Por ejemplo, es posible obtener toda una gama de colores fluorescentes usando un mismo material, con idéntica composición química, variando únicamente su tamaño. A veces, una mínima diferencia de un nanómetro hace que la luz emitida por el nanomaterial cambie. Las aplicaciones de una propiedad como esta son enormes en ámbitos como el diagnóstico de una enfermedad.

Nanomedicina para saber qué nos pasa

Una de las aplicaciones más importantes de las nanopartículas son los test de diagnóstico. En el caso del diagnóstico in vitro, cuando la muestra sale del paciente y se aplica a un sistema de análisis, el nanomaterial más empleado son las nanopartículas de oro, presentes tanto en los test de embarazo como en los populares kits para la COVID-19.

De hecho, gracias a los nanomateriales, durante la pandemia se consiguió obtener en tiempo récord varias versiones de kits suficientemente sensibles y con bajos costes de producción. Y hoy ya se pueden comprar test que emplean nanopartículas de oro y que, en una sola medida, pueden detectar la presencia del SARS-CoV2 y de los virus de la gripe A y la gripe B.

Cuando se quiere estudiar el interior del paciente para sacar una prueba in vivo se utiliza la imagen molecular. Para realizar estos ensayos se utilizan diferentes técnicas, como la imagen por resonancia magnética (MRI) o la tomografía por emisión de positrones (PET). La lista de potenciales ventajas de las nanopartículas en este ámbito es muy larga, porque para cada modalidad de imagen existe al menos un tipo de nanopartícula que se puede diseñar con un tamaño ‘a la carta’ y mejorar así el diagnóstico, o reducir la toxicidad de las sustancias inyectadas al paciente. Hay materiales que directamente funcionan como un código de barras hecho a base de nanopartículas, ya que a cada enfermedad le corresponde un perfil de fluorescencia único.

Nanopartículas de oro de distintos colores debido a su distinto tamaño. / Fernando Herranz

Transportistas de fármacos y nanopartículas terapéuticas

Desde el origen de la nanomedicina, las nanopartículas se han empleado como eficientes sistemas de transporte de fármacos. Aquí sucede lo mismo que en otros campos: la variabilidad de nanomateriales es enorme. Su misión es mejorar el funcionamiento in vivo, la seguridad o la estabilidad de un ingrediente farmacéutico activo. Para cumplir esta función, la nanomedicina ya tiene una notable presencia en oncología y hematología. Y después del éxito de las vacunas de la COVID-19, las de ARNm (ARN mensajero) también están creciendo rápidamente.

Hasta ahora, la nanomedicina ha ayudado a detectar de forma más rápida y precisa una patología y ha servido de apoyo fundamental para la liberación de medicamentos en nuestro interior. Pero, ¿y si las nanopartículas también pudieran curarnos? ¿Y si tuvieran efecto terapéutico? Esto no es ciencia ficción. Algunas nanopartículas ya se encuentran en ensayos clínicos de nuevos tratamientos anticancerígenos. En esta línea, existe una técnica denominada hipertemia magnética que trata de matar las células cancerígenas aplicando calor. Para conseguir que este llegue principalmente a las células cancerosas y no a las sanas se emplean nanopartículas magnéticas, principalmente de óxido de hierro. Si situamos nanopartículas magnéticas dentro de un campo magnético se alinearán en el sentido de dicho campo. Si ahora cambiamos el sentido, las nanopartículas girarán con él. Si ese giro se hace de forma continua y rápida, empleando un campo magnético alternante, el giro generará calor en la zona donde las nanopartículas están acumuladas. Este tipo de tratamiento parece prometedor para el cáncer de páncreas (ya se están realizando ensayos en España) y también podría ser eficaz en el cáncer de próstata.

El flujo de artículos científicos y de aplicaciones de la medicina no para de crecer, así que el futuro en este ámbito tiene buen pronóstico. Los retos para la comunidad científica experta en nanomateriales residen en ir de la mano de los profesionales clínicos. También es necesario fomentar la sencillez de los nanomateriales, porque muchas veces las personas que trabajamos en química, tentadas de demostrar la complejidad que pueden alcanzar estos materiales, construimos sistemas con muchos más componentes de los necesarios, y esto puede ser un escollo para las agencias evaluadoras de nuevos fármacos.

* Fernando Herranz es investigador del CSIC en el Instituto de Química Médica (IQM-CSIC) y autor del libro La nanomedicina (CSIC-Catarata).

¿Sabías que la herrumbre (si es muy pequeña) tiene muchos usos médicos?

Por Fernando Herranz (CSIC)*

El tamaño sí que importa y lo cierto es que la herrumbre, el hierro oxidado que puede terminar apareciendo en piezas metálicas al estar tiempo sometidas a las condiciones atmosféricas, deja de ser una molestia si la empleamos a escala nanométrica. No solo eso, sino que cuando su tamaño es muy pequeño –justo antes de llegar al mundo de los átomos y las moléculas– algunos compuestos de la herrumbre –hidróxidos y óxidos de hierro– pueden utilizarse para diagnosticar enfermedades o tratar el cáncer.

Herrumbre

No hay duda de que a escala macroscópica la herrumbre constituye un serio problema, tanto a nivel estético –cuando afecta a superficies pintadas– como estructural ­–ya que, si penetra en profundidad, el metal presenta una resistencia mecánica mucho menor–. Esto explica la variedad de productos que se venden para evitar la formación de herrumbre o facilitar su eliminación.

Sin embargo, compuestos como la magnetita, uno de los óxidos más presentes en la herrumbre, tienen numerosas aplicaciones en el ámbito de la nanotecnología. Esta rama de la ciencia consiste en la producción y manipulación de materiales a escala nanométrica, es decir, que tienen al menos una dimensión de alrededor de 100 nanómetros (nm). A esta diminuta escala, empezamos a ver cosas muy curiosas que hacen que el óxido de hierro presente nuevas propiedades.

Pero, ¿qué ocurre cuando un material como la magnetita se forma a escala nanométrica para que sea tan distinto a cuando nos lo encontramos en el día a día? La magnetita macroscópica es fuertemente magnética, un imán, para entendernos. Cuando ese material se tiene en, por ejemplo, una esfera (una nanopartícula) de un diámetro de 10 nm, pasa a mostrar una propiedad llamada superparamagnetismo. De forma muy simple; todos los ‘pequeños imanes’ que constituyen el material están orientados en el mismo sentido dentro de la esfera. Debido a su tamaño, a temperatura ambiente, estas nanopartículas en agua no presentan magnetismo ya que cada esfera está dando vueltas al azar, sin una orientación definida. Sin embargo, cuando se acerca un imán, todas las nanopartículas se orientan y producen una respuesta magnética muy intensa. Esta propiedad de poder ‘enceder y apagar’ su magnetismo tiene múltiples aplicaciones.

Cabeza resonancia magnética

Imagen de una cabeza humana obtenida por resonancia magnética.

Por ejemplo, en medicina. Las nanopartículas basadas en magnetita, o materiales relacionados como la maghemita, se usan en imagen médica, en técnicas como la imagen por resonancia magnética o la imagen de partículas magnéticas. En esta aplicación las nanopartículas se dirigen, una vez inyectadas, a la enfermedad que se quiere diagnosticar y, una vez allí, es posible detectarlas por la señal que producen. En la imagen por resonancia magnética lo que hacen las nanopartículas es modificar el comportamiento magnético de las moléculas de agua de nuestros tejidos. Los dos hidrógenos de la molécula de agua (H2O) son los responsables de la señal en esa técnica de imagen. Las nanopartículas de magnetita modifican la señal que se obtiene de esos hidrógenos; de esa forma permiten saber dónde se han acumulado las nanopartículas y, por tanto, dónde se encuentra la enfermedad. Otra ventaja de las nanopartículas para imagen por resonancia es que, según las condiciones en las que se produzcan, pueden hacer que la señal sea más brillante o más oscura, lo que ayuda al diagnóstico de distintas enfermedades.

Brújulas vivientes

El comportamiento magnético de estas nanopartículas también explica otra de sus aplicaciones más interesantes en el tratamiento del cáncer. La técnica se llama ‘hipertermia magnética’ y consiste en acumular las nanopartículas en el tumor para, una vez allí, aplicar un campo magnético desde el exterior y producir un calentamiento de las células tumorales que acabe con ellas. Dicho calentamiento es posible gracias a las propiedades magnéticas de este nanomaterial.

Cadena de magnetosomas en el interior de la bacteria

Cadena de magnetosomas en el interior de la bacteria. / Alicia Muela; Estibaliz Etxebarria (UPV/EHU).

No solo el ser humano se ha dado cuenta de la utilidad de las nanopartículas de magnetita: ¡las bacterias también lo saben! Algunos de estos microorganismos producen en su interior pequeñas nanopartículas de magnetita (y también algunos otros compuestos relacionados) que se disponen de forma alineada a lo largo de la bacteria; son los llamados magnetosomas. Pero, ¿qué ganan con esto las bacterias? La respuesta es la magnetorrecepción: la capacidad de detectar las líneas del campo magnético terrestre y, de esa manera, orientarse. De hecho, los microorganismos que producen magnetosomas en el hemisferio norte se ven atraídos por el sur magnético, mientras que aquellos en el hemisferio sur se ven atraídos por el norte magnético (es decir, se sienten atraídos por el imán más potente que ‘sientan’). Las bacterias se convierten en minúsculas brújulas vivientes gracias a la nanotecnología.

En resumen, en nanotecnología, el tamaño importa, y mucho. Un mismo material que a escala macroscópica presenta pocas propiedades interesantes, cambia completamente cuando se presenta en la escala de los nanómetros.

 

* Fernando Herranz dirige el Grupo de Nanomedicina del Instituto de Química Médica del CSIC y colaborador habitual del blog DCIENCIA.

Respirocito, un nanorobot para ‘vivir sin respirar’

Por Mar Gulis

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El investigador Robert A. Freitas

¿Te imaginas bucear dos horas y media ‘a pulmón’, sin necesitar botella de oxígeno? ¿O respirar sin dificultad en la cima del Everest? O algo más alucinante todavía: ¿te imaginas un mundo en el que las personas pudieran vivir sin respirar durante cuatro horas? Todo ello podría ser posible gracias a ‘respirocito’, una especie de glóbulo rojo artificial que fue desarrollado en los años 90 por Robert A. Freitas -uno de los padres de la nanomedicina- y su equipo en el Instituto de Fabricación Molecular de California. Y sí, es lo más parecido a un nanorobot.

Fabricado con carbono diamantino, un material de gran resistencia, este artefacto tiene un diámetro de una micra (su tamaño es similar al de una bacteria) y la capacidad de almacenar y liberar hasta 236 veces más oxígeno que un glóbulo rojo natural. Ahí está todo su potencial.

El diseño que propusieron Freitas y sus colegas está integrado por 18.000 millones de átomos dispuestos en un pequeño tanque de presión que se llena de oxígeno y dióxido de carbono. Los ‘respirocitos’ llevan incorporados sensores químicos y de presión, de modo que los médicos podrían manipularlos, activarlos o desactivarlos empleando ultrasonidos. Según su creador, una inyección de ‘respirocitos’ permitiría salvar vidas en circunstancias extremas o hacer cosas impensables ahora mismo, como bucear o vivir con el corazón parado durante horas. A modo de ejemplo, Freitas explicaba en un artículo que podrían usarse con víctimas de incendios que hayan sufrido envenenamiento por monóxido de carbono. ¿Será posible algo tan sorprendente en el futuro?

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Recreación de respirocitos que actuarían como seudo-glóbulos rojos en el torrente sanguíneo

Aunque hoy los nanorobots forman parte de la ciencia ficción, su existencia parece cada vez más cercana. El propio Freitas y su grupo se han planteado la posibilidad de fabricar, además de los ‘respirocitos’, otros nanorobots denominados ‘microbívoros’: una especie de leucocitos (glóbulos blancos) artificiales que serían capaces de destruir cualquier microorganismo de nuestro torrente sanguíneo, y que serían mil veces más eficientes que las células de nuestro sistema inmune.

Sin embargo, hacerlos realidad parece aún más complicado, ya que la optimización de nuestro sistema inmune es el resultado de más de 3.500 millones de años de evolución biológica y selección natural. Aunque la bionanotecnología avanza rápidamente en la construcción de nanodispositivos que imitan o mejoran ciertas capacidades de los seres vivos, la robustez, adaptabilidad y versatilidad de los sistemas biológicos complejos (en este caso, el sistema inmune) es por el momento inalcanzable para los nanotecnólogos.

 

Este post ha sido elaborado con información extraída del libro Nanociencia y nanotecnología. Entre la ciencia ficción del presente y la tecnología del futuro (FECYT, 2008), escrito por varios investigadores del CSIC.