Nanotecnología en medicina: gran potencial, pero ¿cuáles son los riesgos?

Nanotecnología, la manipulación de la materia a escala atómica y molecular para crear materiales con propiedades notablemente variadas y nuevas, es un área de investigación en rápida expansión con un gran potencial en muchos sectores, desde el cuidado de la salud hasta la construcción y la electrónica. En medicina, promete revolucionar el suministro de medicamentos, la terapia génica, el diagnóstico y muchas áreas de investigación, desarrollo y aplicación clínica.
Este artículo no intenta abarcar todo el campo, sino que ofrece, mediante algunos ejemplos, algunas ideas sobre cómo la nanotecnología tiene el potencial de cambiar la medicina, tanto en el laboratorio de investigación como a nivel clínico, al tiempo que aborda algunos de los desafíos y preocupaciones. que sube

¿Qué es la nanotecnología?

El prefijo "nano" se deriva del griego antiguo para "enano". En ciencia significa una billonésima parte (10 a menos 9) de algo, así un nanómetro (nm) es una milmillonésima parte de un metro, o 0.000000001 metros. Un nanómetro tiene aproximadamente de tres a cinco átomos de ancho, o unas 40,000 veces más pequeño que el grosor del cabello humano. Un virus tiene típicamente un tamaño de 100 nm.
La capacidad de manipular estructuras y propiedades a nanoescala en medicina es como tener un banco de laboratorio submicroscópico en el que pueda manipular componentes celulares, virus o pedazos de ADN, utilizando una variedad de herramientas diminutas, robots y tubos.

Manipulando ADN

Las terapias que implican la manipulación de genes individuales, o las vías moleculares que influyen en su expresión, se están investigando cada vez más como una opción para tratar enfermedades. Un objetivo muy buscado en este campo es la capacidad de adaptar los tratamientos de acuerdo con la composición genética de los pacientes individuales.
Esto crea una necesidad de herramientas que ayuden a los científicos a experimentar y desarrollar dichos tratamientos.
Imagine, por ejemplo, poder estirar una sección de ADN como una hebra de espagueti, para que pueda examinarla u operarla, o construir nanorobots que puedan "caminar" y realizar reparaciones dentro de los componentes de la célula. La nanotecnología está acercando ese sueño científico a la realidad.
Por ejemplo, los científicos de la Universidad Nacional de Australia han logrado colocar perlas de látex recubiertas en los extremos del ADN modificado, y luego usar una "trampa óptica" que comprende un haz de luz enfocado para mantener las perlas en su lugar, han estirado el ADN hebra con el fin de estudiar las interacciones de proteínas de unión específicas.

Nanobots y Nanostars

Mientras tanto, los químicos de la Universidad de Nueva York (NYU) han creado un robot a nanoescala a partir de fragmentos de ADN que camina en dos patas de apenas 10 nm de largo. En un artículo de 2004 publicado en la revista Nano Letters, describen cómo su "nanowalker", con la ayuda de moléculas de psoraleno unidas a los extremos de sus pies, da sus primeros pasos: dos adelante y dos atrás.
Uno de los investigadores, Ned Seeman, dijo que él prevé que será posible crear una línea de producción a escala de molécula, donde moverás una molécula hasta que se llegue a la ubicación correcta, y un nanobot hará un poco de química, como " soldadura por puntos "en una línea de montaje de automóviles. El laboratorio de Seeman en NYU también está buscando utilizar la nanotecnología del ADN para hacer una computadora de biochip, y para descubrir cómo cristalizan las moléculas biológicas, un área que actualmente está cargada de desafíos.
El trabajo que Seeman y sus colegas están haciendo es un buen ejemplo de "biomiméticos", donde con la nanotecnología pueden imitar algunos de los procesos biológicos en la naturaleza, como el comportamiento del ADN, para diseñar nuevos métodos y quizás incluso mejorarlos.
Los nanobots basados ??en ADN también se están creando para atacar las células cancerosas. Por ejemplo, investigadores de la Harvard Medical School en los EE. UU. Informaron recientemente en Ciencia cómo hicieron un "nanorobot de origami" a partir del ADN para transportar una carga útil molecular. El nanobot en forma de barril puede transportar moléculas que contienen instrucciones que hacen que las células se comporten de una manera particular. En su estudio, el equipo demuestra con éxito cómo se liberaron moléculas que desencadenan el suicidio celular en células de leucemia y linfoma.
Los nanobots hechos de otros materiales también están en desarrollo. Por ejemplo, el oro es el material que los científicos de Northwestern University usan para crear "nanoestrellas", nanopartículas simples, especializadas y en forma de estrella que pueden administrar medicamentos directamente al núcleo de las células cancerosas. En un artículo reciente en la revista ACS Nano, describen cómo las nanoestrellas cargadas de fármacos se comportan como pequeños autostopistas, que después de ser atraídos por una proteína sobreexpresada en la superficie de las células cancerosas cervicales y ováricas humanas, depositan su carga útil directamente en los núcleos de esas células.
Los investigadores encontraron que dar a su nanobot la forma de una estrella ayudó a superar uno de los desafíos del uso de nanopartículas para administrar drogas: cómo liberar las drogas con precisión. Dicen que la forma ayuda a concentrar los pulsos de luz utilizados para liberar las drogas precisamente en los puntos de la estrella.

Nanofactories que hacen drogas En el lugar

Los científicos están descubriendo que las drogas basadas en proteínas son muy útiles porque pueden programarse para enviar señales específicas a las células. Pero el problema con la administración convencional de tales medicamentos es que el cuerpo los rompe antes de llegar a su destino.
Pero, ¿y si fuera posible producir tales drogas? en el lugar, justo en el sitio de destino? Bueno, en una edición reciente de Nano Letters, los investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) en los Estados Unidos muestran cómo es posible hacer eso. En su estudio de prueba de principios, demuestran la viabilidad de autoensamblar "nanofactorías" que fabrican compuestos de proteínas, a demanda, en los sitios objetivo. Hasta ahora han probado la idea en ratones, mediante la creación de nanopartículas programadas para producir proteína verde fluorescente (GFP) o luciferasa expuesta a la luz ultravioleta.
Al equipo del MIT se le ocurrió la idea al tratar de encontrar una forma de atacar los tumores metastásicos, aquellos que crecen a partir de células cancerosas que han migrado del sitio original a otras partes del cuerpo. Más del 90% de las muertes por cáncer se deben a cáncer metastásico. Ahora están trabajando en nanopartículas que pueden sintetizar fármacos contra el cáncer potenciales, y también en otras formas de encenderlos.

Nanofibras

Las nanofibras son fibras con diámetros de menos de 1,000 nm. Las aplicaciones médicas incluyen materiales especiales para vendajes y tejidos quirúrgicos, materiales utilizados en implantes, ingeniería de tejidos y componentes de órganos artificiales.
Las nanofibras hechas de carbono también son prometedoras para las imágenes médicas y las herramientas de medición científicas precisas. Pero hay grandes desafíos que superar, uno de los principales es cómo hacerlos consistentemente del tamaño correcto. Históricamente, esto ha sido costoso y lento.

Pero el año pasado, investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte revelaron cómo habían desarrollado un nuevo método para fabricar nanofibras de carbono de tamaños específicos. Escribiendo en Materiales e interfaces aplicados de ACS en marzo de 2011, describen cómo lograron desarrollar nanofibras de carbono de diámetro uniforme, mediante el uso de nanopartículas de níquel recubiertas con una capa de ligandos, pequeñas moléculas orgánicas con partes funcionales que se unen directamente a los metales.
Las nanopartículas de níquel son particularmente interesantes porque a altas temperaturas ayudan a desarrollar nanofibras de carbono. Los investigadores también descubrieron que había otro beneficio en el uso de estas nanopartículas, podían definir dónde crecían las nanofibras y mediante la colocación correcta de las nanopartículas podrían hacer crecer las nanofibras en un patrón específico deseado: una característica importante para los materiales nanoscópicos útiles.
El plomo es otra sustancia que está siendo utilizada como nanofibra, tanto que el neurocirujano Matthew MacEwan, que estudia en la Facultad de Medicina de la Universidad de Washington en St. Louis, fundó su propia compañía de nanomedicina destinada a revolucionar la malla quirúrgica que se usa en quirófanos de todo el mundo.
El producto líder es un polímero sintético que comprende hebras individuales de nanofibras, y se desarrolló para reparar lesiones cerebrales y de la médula espinal, pero MacEwan cree que también podría usarse para reparar hernias, fístulas y otras lesiones.
Actualmente, las mallas quirúrgicas utilizadas para reparar la membrana protectora que cubre el cerebro y la médula espinal están hechas de un material grueso y rígido, con el que es difícil trabajar. La malla de nanofibra de plomo es más delgada, más flexible y tiene más posibilidades de integrarse con los propios tejidos del cuerpo, dice MacEwan. Cada hilo de la malla de nanofibras es miles de veces más pequeño que el diámetro de una sola célula. La idea es utilizar el material de nanofibras no solo para facilitar las operaciones de los cirujanos, sino también para que haya menos complicaciones postoperatorias para los pacientes, ya que se descompone naturalmente con el tiempo.
Investigadores del Instituto Politécnico de la Universidad de Nueva York (NYU-Poly) han demostrado recientemente una nueva forma de fabricar nanofibras con proteínas. Escribiendo recientemente en la revista Materiales funcionales avanzados, los investigadores dicen que encontraron su descubrimiento casi por casualidad: estaban estudiando ciertas proteínas en forma de cilindro derivadas del cartílago, cuando notaron que en altas concentraciones, algunas de las proteínas se juntaban espontáneamente y se ensamblaban a sí mismas en nanofibras.
Llevaron a cabo experimentos adicionales, como agregar aminoácidos que reconocen metales y diferentes metales, y descubrieron que podían controlar la formación de fibras, alterar su forma y cómo se unía a moléculas pequeñas. Por ejemplo, la adición de níquel transformó las fibras en esteras agrupadas, que podrían usarse para desencadenar la liberación de una molécula de fármaco adjunta.
Los investigadores esperan que este nuevo método mejore en gran medida la administración de medicamentos para tratar el cáncer, los trastornos cardíacos y la enfermedad de Alzheimer. También pueden ver aplicaciones en la regeneración de tejido humano, hueso y cartílago, e incluso como una forma de desarrollar microprocesadores más pequeños y potentes para su uso en computadoras y productos electrónicos de consumo.

Una ilustración esquemática que muestra cómo las nanopartículas u otros medicamentos contra el cáncer podrían usarse para tratar el cáncer. Esta ilustración fue hecha para el Manual de Opensource de Nanociencia y Nanotecnología

¿Qué hay del futuro y las preocupaciones que rodean a los nanomateriales?

Los últimos años han visto una explosión en el número de estudios que muestran la variedad de aplicaciones médicas de la nanotecnología y los nanomateriales. En este artículo, hemos vislumbrado solo una pequeña sección transversal de este vasto campo. Sin embargo, en todo el rango, existen desafíos considerables, el mayor de los cuales parece ser cómo aumentar la producción de materiales y herramientas, y cómo reducir los costos y escalas de tiempo.
Pero otro desafío es cómo asegurar rápidamente la confianza pública de que esta tecnología en rápida expansión es segura. Y hasta ahora, no está claro si eso se está haciendo.

Hay quienes sugieren que las preocupaciones sobre la nanotecnología pueden ser exageradas. Señalan el hecho de que el hecho de que un material sea de tamaño nanométrico no significa que sea peligroso, de hecho, las nanopartículas han existido desde que nació la Tierra, por ejemplo, ocurren naturalmente en cenizas volcánicas y rocíos de mar. Como subproductos de la actividad humana, han estado presentes desde la Edad de Piedra, en el humo y el hollín.
De los intentos de investigar la seguridad de los nanomateriales, el Instituto Nacional del Cáncer en los EE. UU. Dice que hay tantas nanopartículas presentes de forma natural en el medio ambiente que "a menudo tienen niveles superiores al orden de magnitud que las partículas modificadas que se evalúan".En muchos aspectos, señalan, "la mayoría de las nanopartículas modificadas son mucho menos tóxicas que los productos de limpieza domésticos, los insecticidas usados ??en mascotas familiares y los remedios caspa de venta libre", y eso, por ejemplo, en su uso como portadores de agentes quimioterapéuticos en tratamiento contra el cáncer, son mucho menos tóxicos que los medicamentos que llevan.
Es quizás más en el sector alimentario que hemos visto la mayor expansión de los nanomateriales a nivel comercial. Aunque la cantidad de alimentos que contienen nanomateriales es aún pequeña, parece que va a cambiar en los próximos años a medida que se desarrolle la tecnología. Los nanomateriales ya se usan para reducir los niveles de grasa y azúcar sin alterar el sabor, o para mejorar el empaquetado para mantener los alimentos más frescos durante más tiempo, o para informar a los consumidores si los alimentos se estropean. También se están utilizando para aumentar la biodisponibilidad de nutrientes (por ejemplo, en suplementos alimenticios).
Pero también hay partes preocupadas que destacan que, mientras se acelera el ritmo de la investigación y se expande el mercado de los nanomateriales, parece que no se está haciendo lo suficiente para descubrir sus consecuencias toxicológicas.
Esta fue la opinión de un comité de ciencia y tecnología de la Cámara de los Lores del Parlamento británico, quien en un informe reciente sobre nanotecnología y alimentos, plantea varias preocupaciones sobre los nanomateriales y la salud humana, particularmente el riesgo que representan los nanomateriales ingeridos.
Por ejemplo, un área que concierne al comité es el tamaño y movilidad excepcional de las nanopartículas: son lo suficientemente pequeñas, si se ingieren, para penetrar en las membranas celulares del revestimiento del intestino, con el potencial de acceder al cerebro y otras partes del cuerpo e incluso dentro del núcleo de las células.
Otro es la solubilidad y la persistencia de los nanomateriales. ¿Qué ocurre, por ejemplo, con las nanopartículas insolubles? Si no pueden descomponerse y digerirse o degradarse, ¿existe el peligro de que se acumulen y dañen órganos? Se cree que los nanomateriales que comprenden óxidos metálicos inorgánicos y metales son los que con mayor probabilidad representan un riesgo en esta área.
Además, debido a su alta relación área superficial a masa, las nanopartículas son altamente reactivas, y pueden, por ejemplo, desencadenar reacciones químicas aún desconocidas, o al unirse con toxinas, les permiten ingresar a células a las que de otro modo no tendrían acceso.
Por ejemplo, con su gran área de superficie, reactividad y carga eléctrica, los nanomateriales crean las condiciones para lo que se describe como "agregación de partículas" debido a fuerzas físicas y "aglomeración de partículas" debido a fuerzas químicas, de modo que las nanopartículas individuales se unen para formar unos. Esto puede conducir no solo a partículas dramáticamente más grandes, por ejemplo, en el intestino y en el interior de las células, sino que también podría provocar la desagregación de grupos de nanopartículas, lo que podría alterar radicalmente sus propiedades fisicoquímicas y su reactividad química.
"Tales fenómenos reversibles se suman a la dificultad de comprender el comportamiento y la toxicología de los nanomateriales", dice el comité, cuya conclusión general es que ni el Gobierno ni los Consejos de Investigación están dando suficiente prioridad a la investigación de la seguridad de la nanotecnología, especialmente "considerando la escala de tiempo dentro de qué productos contienen nanomateriales pueden desarrollarse ".
Recomiendan que se necesite mucha más investigación para "garantizar que las agencias reguladoras puedan evaluar efectivamente la seguridad de los productos antes de que se les permita comercializarlos".
Parecería, por lo tanto, real o percibido, el riesgo potencial que la nanotecnología representa para la salud humana debe ser investigado, y debe ser visto para ser investigado. La mayoría de los nanomateriales, como sugiere el NCI, probablemente sean inofensivos.
Pero cuando una tecnología avanza rápidamente, el conocimiento y la comunicación sobre su seguridad deben seguir el ritmo para que se beneficie, especialmente si también es para garantizar la confianza del público. Solo tenemos que ver qué sucedió, y hasta cierto punto sigue sucediendo, con alimentos genéticamente modificados para ver cómo puede salir todo mal.
Escrito por Catharine Paddock PhD