La nanotecnología

Antonio José Acosta Jiménez

• Publisher: RBA Libros
• Year: 2019
• ISBN:
  9788491875260
• Topic: Technik & Maschinenbau
• Subtopic: Nanotechnologie & MEMS

Os fascina la inmensidad del cosmos porque abarca lo grande pero en él también existe lo pequeño. Hasta hace muy poco no habíamos podido aventurarnos en la estructura de la materia y actualmente sabemos que hay un universo en su interior. Estamos empezando a controlar los mandos de ese nanomundo y, con sus ladrillos, átomos y moléculas, a construir aplicaciones en nuestro beneficio.La nanotecnología desarrolla procedimientos y técnicas revolucionarias con infinidad de usos en múltiples áreas, como la medicina, la electrónica y el diseño de nuevos materiales. Descubre en estas páginas todo su potencial.Las enormes posibilidades de la escala más pequeña.

Aplicaciones de la nanotecnología

Las aplicaciones tecnológicas son una de las razones de ser de la ciencia, ya que permiten poner el saber científico al beneficio directo de la humanidad a través de instrumentos que le sean de utilidad. La nanotecnología, lejos de ser un juego de científicos y tecnólogos interesados en llegar al límite del conocimiento, nos está proporcionando todos los días nuevas aplicaciones y mejoras de las existentes. Y dado su carácter transversal, lo hace en cualquier ámbito. Por no ser exhaustivos y centrarnos en campos de indiscutible importancia para la sociedad actual, presentaremos algunas de las aplicaciones en los campos de salud, electrónica, materiales y energía.

LA NANOTECNOLOGÍA EN NUESTRA SALUD

Al hombre siempre le ha subyugado la idea de intervenir en los procesos involucrados en la vida para curar enfermedades, aumentar la calidad de vida y alargarla en lo posible. Un objetivo fundamental de la biología y la medicina es entender cuáles son los mecanismos de ingeniería molecular, responsables últimos de la vida. Conocerlos y actuar sobre ellos se traducirá necesariamente en el diagnóstico y posterior cura de enfermedades. Piénsese por ejemplo en el diagnóstico genético y las terapias génicas, basadas en la detección y corrección de anomalías en el ADN. La nanotecnología está llamada a tener un papel estelar en estas tareas; si se observa detenidamente el contenido de la tabla de la página contigua, se constatará que los fundamentos de la vida se encuentran en la escala nanométrica. La integración de la nanotecnología con la biología trae como consecuencia el nacimiento de la nanobiotecnología, con diversas variantes, como la nanomedicina.

Más allá de una mera cuestión de tamaños, la vida se puede entender como un conjunto de nanomáquinas moleculares perfectamente acopladas entre sí. Si bien ahora es cuando estamos empezando a entender esos funcionamientos y acoplamientos, ya existen conocimiento y tecnología suficientes para mejorar puntualmente alguno de estos procesos. Ese es el objeto de la nanobiotecnología: realizar un estudio o pronóstico molecular más preciso, encaminado a la mejora de los procesos diagnósticos y terapéuticos, así como a la creación de nuevas terapias y fármacos dirigidos a la medicina personalizada.

Desde la irrupción de la nanotecnología, sus potenciales aplicaciones médicas han jugado un papel relevante para tratar de resolver ciertos problemas persistentes en los tratamientos médicos convencionales. El tratamiento del cáncer ha sido uno de los principales ámbitos de investigación en nanotecnología, ya que las terapias convencionales (quimioterapia, radioterapia) son altamente tóxicas, y es difícil concentrarlas en los tejidos tumorales. La nanotecnología permite que se minimice el daño causado sobre el tejido sano, ya que ayuda a detectar con más precisión las células tumorales y a actuar casi exclusivamente sobre ellas. Estamos en el comienzo de una etapa donde se espera que la nanotecnología juegue un papel relevante en el cuidado de la salud, realizando tareas de diagnóstico y detección rápidas, réplica de funciones del cuerpo (órganos artificiales), reparación de tejidos y a nivel celular (medicina regenerativa), antibióticos basados en nanomáquinas, prótesis mejoradas, control molecular del organismo, etc. Incluso, en un futuro a largo plazo, nanorrobots inteligentes capaces de detectar y curar enfermedades in situ.

La nanomedicina agrupa hoy en día dos áreas principales: el nanodiagnóstico y la nanoterapia. El nanodiagnóstico contempla todas las labores de detección de enfermedades usando nanoestructuras de algún tipo, teniendo como principal ventaja que permiten un alto grado de localización de las células que originan la enfermedad. Ya se emplea para análisis in vitro (sobre muestras de sangre o tejidos) y en breve para análisis in vivo (implantándolo en el organismo). La nanoterapia incluye no solo la liberación controlada de fármacos (nanofármacos), sino también otras terapias, como las basadas en temperatura (hipertermia).

Los especialistas del nanodiagnóstico

El primer paso para el tratamiento de la enfermedad es detectar que existe. La detección precoz y el diagnóstico rápido son la garantía de éxito en numerosas enfermedades, especialmente el cáncer, donde si se consigue identificar con precisión el tipo de cáncer y localizar las células cancerosas, el pronóstico de curación se acerca al 100 %. Existen muchas técnicas de diagnóstico en las que la nanotecnología tiene mucho que aportar; veremos alguna de ellas.

Diagnóstico por imagen: nanopartículas magnéticas, metálicas y QDs

Estas técnicas se emplean para la detección de algunos tumores. Las células cancerosas tienen en su membrana ciertas proteínas llamadas receptores, que están especializadas para unirse a moléculas específicas. En cierto modo, son su mecanismo de comunicación con el exterior. Una forma de detectar si en un tejido hay células cancerosas consiste en poner en contacto el tejido bajo estudio con las moléculas que atrapan los receptores en la membrana de esas células. Si esas moléculas quedan atrapadas, el diagnóstico es positivo.

La mayoría de las técnicas de diagnóstico in vivo basadas en este principio emplean nanopartículas (nanovectores), que son programadas o funcionalizadas para localizar un determinado tipo de células tumorales. Para que la detección sea posible, es necesario recubrir la nanopartícula de moléculas con un doble objetivo: permitir enlazarse con los receptores de las células tumorales (detección del tumor) y evitar que las nanopartículas sean atacadas por el sistema inmunológico humano (protección frente a macrófagos y glóbulos blancos). Una nanopartícula de 100 nm sin protección tarda unos minutos en ser expulsada del organismo (pueden ser horas si el tamaño es de 10 nm). Una vez que tenemos la nanopartícula recubierta para pasar desapercibida y adherirse a la membrana de la célula tumoral, hay que conducirla a la zona del organismo que va a ser analizada. Ese proceso de orientación del nanovector se conoce como direccionamiento. El direccionamiento es esencial para que el diagnóstico sea efectivo y existen dos tipos fundamentales: direccionamiento magnético y direccionamiento biológico, normalmente a través del sistema circulatorio.

El direccionamiento magnético consiste en llevar las nanopartículas (magnéticas) con un imán a la zona de análisis. Como las nanopartículas del principal material magnético, el hierro, son muy tóxicas, hay que recubrirlas con una capa de oro (no tóxico) de unos átomos de espesor o utilizar materiales no tóxicos menos magnéticos, como óxidos de hierro. El tamaño óptimo de las nanopartículas es de unos 100 nm (un solo dominio magnético) pero la técnica no es muy adecuada para tejidos profundos porque los campos que magnetizan las partículas tendrían que ser muy intensos y pueden dañar los tejidos sanos.

El direccionamiento biológico requiere recubrir las nanopartículas con moléculas afines a los receptores de las células tumorales. A fin de cuentas, esa afinidad tiene como consecuencia un proceso de búsqueda bioquímica que no tiene que ser gobernado desde el exterior, sino que es espontáneo. Los recubrimientos pueden ser anticuerpos, aptámeros (trozos de cadenas de ADN), péptidos (grupos de aminoácidos) o ácido fólico.

Las células tumorales generan en su superficie antígenos específicos al tipo de cáncer. En los tipos de cáncer en los que se conoce la combinación antígeno-anticuerpo se pueden producir artificialmente estos anticuerpos y enlazarlos a las nanopartículas, por lo que estas últimas se unirán a las células tumorales. Los anticuerpos son moléculas proteicas grandes, de unos 20000 átomos, en forma de «Y» con una base común y brazos con extremos específicos para cada antígeno. Para disminuir el tamaño de los recubrimientos de las nanopartículas, se usan aptámeros o péptidos que se sintetizan para conjugarse con los receptores tumorales. En estas células tumorales suele haber también muchos receptores de ácido fólico, por lo que también se usa como recubrimiento.

Como consecuencia del direccionamiento, ya tenemos nanopartículas adheridas a las células tumorales. ¿Por qué se mejora el diagnóstico por imagen? Porque las nanopartículas muestran una alta sensibilidad a estímulos externos, operando como potenciadores de contraste en sistemas de captación de imágenes por resonancia magnética (IRM), imágenes por ultrasonido, etc. Veamos tres casos particulares donde la ganancia en contraste es enorme y por tanto la capacidad de detección y localización.

La IRM se basa en que todos los núcleos de hidrógeno (protones presentes en los tejidos del cuerpo) tienen un momento magnético y pueden considerarse como pequeñas barras magnéticas. Frente a un campo magnético externo, al ser un protón una partícula cuántica, solo puede adquirir dos posibles magnetizaciones: paralela (mismo sentido del campo) o antiparalela (sentido contrario al del campo). Al ser la magnetización paralela de menor energía, la mayoría de los protones la siguen. Si aplicamos un pulso de radiofrecuencia adicional, algunos protones pasarán de magnetización paralela a antiparalela, ganando energía. Cuando se retira el pulso, los momentos de los protones van volviendo a la situación original emitiendo en forma de luz la energía que habían ganado con el pulso. Como la cantidad de luz emitida depende de la disposición y el entorno químico de los átomos de hidrógeno, se formará una imagen de los tejidos. En presencia de nanopartículas con momentos magnéticos apreciables, el tiempo que tardan los dipolos de las nanopartículas en volver a la situación original tras el pulso disminuye considerablemente, por lo que aumentará el contraste de la imagen. También con el pulso aparecen (y luego desaparecen) componentes laterales del campo magnético cuya detección mejora también el contraste.

BALAS MÁGICAS: EL PRIMER PASO HACIA LA «TERANÓSTICA» EFECTIVA

El diagnóstico rápido y la terapia adecuada al mal detectado son vitales para sanar numerosas enfermedades, sobre todo el cáncer. La teranóstica designa la diagnosis y la terapia que se realizan en la misma actuación clínica, que cuentan con el soporte de la nanotecnología al generar vehículos de acceso a tejidos enfermos o células malignas desde el interior. El objetivo es aumentar la seguridad y la confianza en los mecanismos que lleven estos vehículos al lugar adecuado, detecten el patógeno, den el aviso de que se ha encontrado (diagnóstico) y actúen en consecuencia (liberando el fármaco, por ejemplo). Eso se parecería a una «bala mágica», una especie de misil biológico que busca su diana y solo estalla cuando la encuentra.

Directa al corazón del problema

La figura muestra una nanopartícula ideal para el tratamiento de un determinado tipo de cáncer, una auténtica bala mágica. Estará recubierta de anticuerpos del antígeno que recubre los patógenos a atacar y de moléculas que la hagan invisible al sistema inmunitario, así como de material enriquecedor de contraste y de moléculas permeabilizadoras que faciliten la penetración. El contenedor puede ser un liposoma, en el que hemos incluido dos fármacos diferentes. Después inyectaremos en el torrente sanguíneo las nanopartículas, que se concentrarán en torno al tejido enfermo y liberarán los fármacos en el interior de las células.

Asimismo, se pueden obtener imágenes mejoradas mediante nanopartículas de oro. Si estas tienen un diámetro de unos 80 nm, dispersan gran parte de la luz que incide sobre ellas, permitiendo localizar la partícula. Seleccionando la luz de una frecuencia adecuada, la nanopartícula emitirá hasta 100000 veces más fotones que, por ejemplo, la fluoresceína (una molécula fluorescente usada comúnmente en formación de imágenes), excitada por la misma intensidad de luz. Las aplicaciones de esta técnica están limitadas a regiones cercanas a la superficie debido a la alta absorción de la luz visible por parte del tejido.

Finalmente analicemos el uso de nanopartículas semiconductoras (QDs) para diagnóstico por imagen. Tras ser excitados con luz UV, los QDs emiten luz visible de un color dependiente de su tamaño, siempre que sean inferiores a 10 nm (el tamaño medio del excitón electrón-hueco). Si ubicamos distintos receptores biológicos a QDs de distintos tamaños, podemos obtener mapas de colores de tejidos o células, según sea la adhesión de los QDs a las células. Como la luz visible no atraviesa tejidos de gran espesor, están más indicados para estudios in vitro (sobre tejidos fuera del organismo), como magnífico material de tinción. El semiconductor que más se usa es el seleniuro de cadmio (CdSe), recubierto de otros semiconductores (ZnS, por ejemplo).

Diagnóstico integrado en un sistema: Lab-on-a-chip

El campo del diagnóstico no se c...