La voz de la ciencia
21sep/120

Nanodispositivos terapeúticos que traspasan barreras biológicas.

Rebeca Hernández

Dr. Rebeca Hernández

Desde hace ya algunos años asistimos a una revolución de la nanociencia y nanotecnología que ha dado lugar a grandes avances en el campo de la biomedicina con aplicaciones en el tratamiento, prevención y diagnóstico de enfermedades humanas. De esta forma, surge la nanobiotecnología como un área altamente multidisciplinar enfocada al uso de materiales y estructuras a escala nanométrica en interacción con materia biológica.

Operar a escala nano en biomedicina (1 nanómetro es la milmillonésima parte de un metro, por poner un ejemplo, el diámetro de un cabello humano equivale a 100.000 nanómetros) implica operar a la misma escala de longitud que las proteínas que regulan funciones celulares tales como la embriogénesis, la diferenciación celular, el proceso inflamatorio, la metástasis, etc. y, lo más importante, permite obtener materiales capaces de ser integrados en sistemas biológicos.

Rebeca Hernández impartirá una conferencia el 22 de septiembre en el Real Jardín Botánico-CSIC en la jornada de La Voz de la Ciencia http://www.rjb.csic.es/jardinbotanico/jardin/contenido.php?Pag=106&tipo=noticia&cod=2330&len=en

 

Por ejemplo, se han utilizado nanopartículas como portadores de fármacos que son capaces de atravesar la membrana celular y una vez dentro del citoplasma, liberar el fármaco de forma controlada de tal forma que los tratamientos se hacen mucho más selectivos. En terapia de cáncer, esta estrategia permite disminuir drásticamente los efectos secundarios asociados a tratamientos convencionales como la quimioterapia que además presentan una elevada tasa de fracaso. De hecho, el tratamiento de cáncer colorrectal avanzado con 5-fluorouracilo induce solo una respuesta global del 10%. La combinación de este agente con otros antitumorales logra mejorar la eficacia de la acción anticancerosa en torno al 45% que todavía queda lejos de lo que sería deseable.

En este contexto se ha demostrado que la utilización de nanopartículas magnéticas, con tamaños de alrededor de 5 nm, que llevan incorporados fármacos en su superficie, permite reducir en un 80% la dosis de fármaco que se tiene que suministrar para una adecuada acción terapéutica debido a que las nanopartículas pueden penetrar dentro de las células tumorales. Esta característica junto a la acción de un campo magnético externo permite acumular las nanopartículas sólo en la región tumoral, lo que conlleva un aumento de la selectividad y de la eficacia del tratamiento.

Otra de las estrategias utilizadas para el tratamiento de cáncer basadas en la utilización de nanopartículas magnéticas es la hipertermia magnética que actualmente se emplea como tratamiento complementario en la administración de fármacos estimulada por campos magnéticos. En esta terapia se aprovecha la capacidad que tienen las nanopartículas magnéticas cuando son sometidas a la acción de estos campos para calentarse alcanzando temperaturas de 42-43 0C que son suficientes para provocar la muerte celular. Es importante mencionar que una ventaja adicional de esta terapia se debe a la alta direccionalidad y localización precisa de las nanopartículas en la zona tumoral que restringe el efecto hipertérmico a esta zona, permitiendo reducir al mínimo los efectos secundarios no deseados como sería la muerte de células sanas. Además de la capacidad para calentarse cuando son sometidas a la  acción de campos magnéticos externos, estas nanopartículas deben poseer otras características como es que sean superparamagnéticas, es decir su imanación es cero en ausencia de campo magnético, de tal forma que se evita su aglomeración y una posible formación de trombos.

Otra aplicación importante dentro del área de la nanobiotecnología es la utilización de materiales a escala nanométrica en ingeniería de tejidos que actualmente constituye una alternativa a la cirugía tradicional de transplantes. Esta disciplina tiene como objetivo desarrollar sustitutos biológicos que permitan restaurar, mantener y/o mejorar la función del tejido u órgano dañado. En ingeniería de tejidos los esfuerzos de investigación están dirigidos al desarrollo de andamiajes autoorganizados tridimensionales como soportes para el crecimiento celular. El requisito más importante que deben cumplir estos materiales es que sean capaces de imitar las características de la membrana extracelular que regula la respuesta celular para dar lugar a la formación de nuevos tejidos. La membrana extracelular está constituida principalmente por proteínas fibrosas como el colágeno o la elastina que poseen unas dimensiones en el rango de los nanómetros, es por esto, que uno de los retos dentro de la ingeniería de tejidos es la utilización de la nanotecnología para la fabricación de materiales biomiméticos. Con este objetivo se utilizan diferentes técnicas como el electrohilado y el autoensamblaje molecular de copolímeros de bloque, péptidos anfifílicos o dendrímeros. Debido a su tamaño nanométrico, estos materiales pueden ser inyectados directamente y sin ningún tipo de efecto secundario y una vez a temperatura fisiológica dentro del cuerpo humano, dar lugar un material autoensamblado que constituye un andamiaje para el crecimiento celular in situ. La inyección permite acceder a áreas del cuerpo que de otra manera son difícilmente accesibles y el implante se adapta mejor al tejido circundante y alcanza un mejor contacto y adhesión al mismo. Asimismo se evita la utilización de implantes tradicionales que requieren de procedimientos quirúrgicos convencionales que traen aparejados daño tisular y dolor.

Otro de los retos en el campo de ingeniería de tejidos es el desarrollo de herramientas de nanotecnología para controlar y guiar células a sitios deseados en andamiajes tridimensionales. Por ejemplo, la utilización de campos magnéticos para dirigir la formación de tejidos in vivo y dar lugar a crecimiento celular en tres dimensiones ha sido utilizada recientemente mediante la funcionalización de las células con nanoimanes. Dicha funcionalización permite que las células tengan respuesta a campos magnéticos de tal forma que pueden ser manipuladas en el espacio con un campo magnético externo para controlar tanto su distribución en forma de clusters multicelulares como su inmovilización sin alterar sus funciones biológicas.

Hasta el momento, la nanociencia y la nanotecnología han permitido  el desarrollo de métodos de preparación de materiales a escala nanométrica que permiten controlar, el tamaño y la polidispersidad del material y la reproducibilidad de sus propiedades.Por tanto, los grandes avances obtenidos en el campo de la nanobiotecnología han conseguido demostrar la prueba de concepto de que las nanopartículas tienen gran potencial en aplicaciones biológicas-médicas. Se espera que progresivamente nanomateriales como nanotubos, nanoalambres y otros materiales inorgánicos se utilizarán en aplicaciones in vivo como ingeniería de tejidos o liberación controlada de fármacos si bien queda camino por recorrer hasta que dichas aplicaciones se materialicen en tratamientos habituales.

Los retos para el siglo XXI pasan por la investigación a fondo de la biocompatibilidad y biodegradación de nanomateriales inorgánicos dado que, recientemente, se han señalado posibles efectos negativos de nanotubos de carbono en células y su potencial para provocar estrés oxidativo, inflamación, daño genético y efectos patológicos a largo plazo. Además, es necesario avanzar en el desarrollo de estrategias de funcionalización superficial, esto es anclaje específico de grupos que sean susceptibles de ser reconocidos por las membranas biológicas de tal forma que las nanopartículas puedan ejercer su acción terapéutica de forma selectiva. Por ejemplo, en el caso de la terapia génica, es necesario modificar las nanopartículas para que puedan acceder al núcleo celular que se encuentra separado del citoplasma por dos membranas con poros alrededor de 10 nm. O en el caso de células tumorales, la funcionalización de la superficie de las nanopartículas debe ser diseñada para que sea lo suficientemente selectiva a receptores de membrana sobre expresados en las células diana de tal forma que se pueda aumentar tanto la acumulación específica del fármaco como el tiempo de exposición fármaco-célula.

Si somos capaces de afrontar estos retos, los nanomateriales del futuro serán capaces de detectar in vivo cambios en células sanas y tratar in situ la enfermedad mediante la liberación de fármacos y su capacidad para atravesar membranas biológicas, de tal forma que se puedan aplicar tratamientos integrados de terapia y diagnóstico.

Así se podrá hacer realidad la predicción del premio Nobel Richard Feynman, considerado el padre de la nanotecnología quien anticipó la importancia que tendría la nanotecnología en el desarrollo de aplicaciones biomédicas:   “A friend of mine (Albert R. Hibbs) suggests a very interesting possibility for relatively small machines. He says that… it would be interesting in surgery if you could swallow the surgeon. You put the mechanical surgeon inside the blood vessel and it goes into the heart and ``looks'' around …It finds out which valve is the faulty one and takes a little knife and slices it out. Other small machines might be permanently incorporated in the body to assist some inadequately-functioning organ”. – Richard Feynman, “There’s Plenty of Room at the Bottom”.

Dr. Rebeca Hernández Velasco

rebecahernandezvelasco@yahoo.es

Premio 2011 Bolsas de Investigación L'Oréal-UNESCO For Women In Science

Grupo de polímeros nanoestructurados y geles

Instituto de Ciencia y Tecnología de Polímeros, C.S.I.C.

http://www.ictp.csic.es/npb/nanopoly&gels/

Calle Juan de la Cierva 3, 28006 Madrid, España

 

 

REFERENCIAS

    • European Technology Platform NANOMEDICINEhttp://cordis.europa.eu/nanotechnology/nanomedicine.htm
    • Omid C. Farokhzad, Robert Langer., Impact of nanotechnology on drug delivery ACS Nano, 3, 16-20, 2009
    • Robert Langer, J. Vacanti., Tissue engineering, Science, 260, 1993
    • R. Pasqualini y col.,Three dimensional tissue culture based on magnetic cell levitation. Nature Nanotechnology5, 291 – 296, 2010
    • J. Cheon y col., Exchange-coupled magnetic nanoparticles for efficient heat induction Nature Nanotechnology6, 418–422, 2011
    • Andreas S. Lubbe y col.,Locoregional Cancer Treatment with Magnetic Drug Targeting Cancer Research, 60, 6641-6648, 2000
    • C Chauhan y col., Multi-functional magnetic nanoparticles for magnetic resonance imaging and cancer therapy Biomaterials, 32 (7) 1890, 2011

Publicado por REBECA HERNANDEZ

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