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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).

El experimento físico más hermoso de todos los tiempos: la doble rendija

Por Mar Gulis (CSIC)

En 2003 la revista Physics World preguntó a sus lectores cuál era en su opinión el experimento más bello de la historia de la física. Ganó el célebre experimento de la doble rendija, una prueba diseñada en 1801 para probar la naturaleza ondulatoria de la luz que no ha dejado de repetirse, en diversos formatos y con distintos objetivos, hasta la actualidad.

Láser difractado usando rendija doble. Foto tomada en el laboratorio de óptica de la facultad de ciencias de la UNAM. / Lienzocian (CC-BY-SA)

Láser difractado usando rendija doble. Foto tomada en el laboratorio de óptica de la facultad de ciencias de la UNAM. / Lienzocian (CC-BY-SA)

La fascinación que sigue produciendo este experimento tiene que ver con que, como dijo el físico Richard Feynmann (1918-1988), contiene en sí mismo el corazón y todo el misterio de la física cuántica, la disciplina que estudia el comportamiento de la materia a escala microscópica.

En el mundo cuántico –el de las partículas subatómicas como los electrones– las ‘cosas’ actúan de una forma muy distinta a como sucede en la escala macroscópica, en la que nos movemos los seres humanos. El experimento de la doble rendija pone de manifiesto dos características desconcertantes de ese mundo. La primera es que, a escala micro, los objetos físicos tienen una naturaleza dual: según las circunstancias, pueden comportarse como un conjunto de partículas o como una onda. Y la segunda consiste en que el hecho de observarlos hace que actúen de una manera o de otra.

Para entender algo más del mundo cuántico, vamos a presentar una formulación ideal del experimento prescindiendo de los detalles técnicos.

Situémonos primero en la escala macro, en nuestro mundo. Vamos a lanzar, una a una y en distintas direcciones, miles de canicas contra una placa atravesada por dos finas rendijas verticales. En otra placa más alejada vamos a recoger el impacto de las canicas. ¿Qué ‘dibujo’ habrá producido este impacto?

La respuesta es: dos franjas verticales, correspondientes a las canicas que han logrado atravesar la placa anterior a través de las ranuras.

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Ahora, introduzcamos todos los elementos del experimento en una piscina llena de agua. Desde el mismo punto desde el que hemos lanzado las canicas comenzaremos a generar olas. Una vez que las olas atraviesen las dos ranuras y lleguen a la última placa, ¿dónde impactarán con más intensidad? ¿Qué ‘dibujo’ provocará ese impacto?

La respuesta es: una serie de franjas verticales de diferente intensidad que los físicos llaman “patrón de interferencia”. Este dibujo se produce porque el oleaje inicial, como cualquier onda, se difracta al atravesar las ranuras, dando lugar a dos oleajes que interfieren entre sí. En algunos puntos las olas se potencian y en otros se anulan, lo que provoca un impacto con desigual intensidad sobre la última placa.

Ondas

Pues bien, descendamos ahora al mundo cuántico y, en lugar de canicas, lancemos electrones uno a uno a través de la doble ranura. ¿Qué se ‘dibujará’ en la segunda placa? Con la lógica que utilizamos en el mundo macro, lo esperable es que el electrón, que es una partícula, impacte igual que una canica y dibuje dos franjas verticales.

Sin embargo, el resultado que obtenemos es… ¡un “patrón de interferencia”!

 

Dualidad onda-partícula

¿Cómo se entiende todo esto? En el libro Mecánica cuántica (CSIC-Catarata), el investigador del CSIC Salvador Miret ofrece algunas explicaciones.

La interpretación estándar nos dice que el electrón se lanza y se recoge como una partícula, pero se propaga como una onda. Es decir, que durante su recorrido el electrón está distribuido o superpuesto en toda el área que ocupa su onda, por lo que atraviesa las dos rendijas a la vez e interfiere consigo mismo hasta impactar contra la segunda placa. En ese momento, como consecuencia del impacto, el electrón vuelve adoptar la naturaleza de partícula –en términos más precisos diríamos que colapsa su función de onda– situándose en uno de los múltiples puntos atravesados por la onda. Al comenzar el experimento los electrones se distribuirán por la segunda placa de una forma aparentemente aleatoria, pero al incrementar el número de impactos veremos cómo va formándose el “patrón de interferencia”. Es decir, que la posibilidad de impactar en uno u otro punto está determinada por la onda. En este vídeo puede verse cómo se reproduce un patrón de interferencia en tiempo real, aunque no con electrones sino con moléculas de ftalocinanina:

Interpretaciones de la mecánica cuántica más recientes, como la propuesta por David Bohm (1917-1992), nos dirían que el electrón sigue una trayectoria (no se superpone en varios sitios a la vez) pero que esta está guiada por una onda. En este modelo las ondas son como corrientes de ríos que ‘transportan’ a las partículas: las primeras trazan los numerosos caminos que pueden seguir las segundas pero cada partícula recorre solo uno de ellos. En cualquier caso, esta interpretación no cuestiona la naturaleza dual del mundo cuántico: no podemos considerar las partículas como independientes de su onda.

 

La importancia del observador

Sin embargo, esta es solo una de las aportaciones de nuestro experimento. ¿Qué pasa cuando colocamos un detector para averiguar por qué rendija pasa nuestro electrón?

Pues que el “patrón de interferencia” desaparece y los electrones impactan en la segunda placa como si fuesen canicas. Es decir, que al tratar de observar el sistema, hemos actuado sobre él, obligando a nuestro electrón a comportarse como una partícula. Los fotones que hemos enviado para detectarlo han interaccionado con él y alterado el resultado del experimento.

Evidencias como estas llevaron a Niels Bohr (1885-1962), uno de los ‘padres’ de la mecánica cuántica, a decir, en los años 20 del siglo pasado, que ya no somos meramente observadores de lo que medimos sino también actores. De repente, una ciencia dura como la física comenzaba a cuestionar el paradigma de la objetividad: ¿podemos conocer la realidad sin interferir en ella y sin que ella interfiera en nosotros?

La ortodoxia cuántica, de la que Bohr fue uno de los principales paladines, plantea que la presencia del observador introduce una incertidumbre insoslayable. De acuerdo con Werner Heisenberg (1901-1976) y su principio de incertidumbre, es imposible conocer al mismo tiempo todas las propiedades de nuestra partícula porque, al observar una, estamos alterando el resto. Al querer conocer la posición exacta de un electrón, por ejemplo, su velocidad queda muy indeterminada. Por eso, desde este punto de vista no podemos ir más allá de calcular las potencialidades que nos ofrece su denominada función de onda.

Sin embargo, en los últimos años, la física no ha dejado de buscar formas de medición débiles, que no alteren el sistema observado, y de proponer modelos abiertos, que integran en su formulación al observador. El objetivo: precisar qué hacen las partículas cuando no las observamos… Si realmente estas propuestas llegan a buen puerto es posible que, como afirma Miret, vivamos una auténtica revolución de la mecánica cuántica. De todas formas, parece difícil que cualquiera de los nuevos planteamientos pueda dejar completamente de lado al observador, aunque solo sea para tratar de neutralizar sus efectos sobre el mundo observado.