La nanomedicina es la aplicación médica de la nanotecnología . [1] La nanomedicina abarca desde las aplicaciones médicas de nanomateriales y dispositivos biológicos , hasta biosensores nanoelectrónicos , e incluso posibles aplicaciones futuras de la nanotecnología molecular como las máquinas biológicas . Los problemas actuales de la nanomedicina pasan por comprender las cuestiones relacionadas con la toxicidad y el impacto ambiental de los materiales a nanoescala (materiales cuya estructura está en la escala de los nanómetros, es decir, milmillonésimas de metro ). [2] [3]
Se pueden agregar funcionalidades a los nanomateriales interconectándolos con moléculas o estructuras biológicas. El tamaño de los nanomateriales es similar al de la mayoría de las moléculas y estructuras biológicas; por lo tanto, los nanomateriales pueden ser útiles para investigaciones y aplicaciones biomédicas tanto in vivo como in vitro. Hasta ahora, la integración de los nanomateriales con la biología ha llevado al desarrollo de dispositivos de diagnóstico, agentes de contraste, herramientas analíticas, aplicaciones de fisioterapia y vehículos de administración de fármacos.
La nanomedicina busca ofrecer un valioso conjunto de herramientas de investigación y dispositivos clínicamente útiles en un futuro próximo. [4] [5] La Iniciativa Nacional de Nanotecnología espera nuevas aplicaciones comerciales en la industria farmacéutica que pueden incluir sistemas avanzados de administración de fármacos, nuevas terapias e imágenes in vivo . [6] La investigación en nanomedicina está recibiendo financiación del programa del Fondo Común de los Institutos Nacionales de Salud de EE. UU ., que apoya a cuatro centros de desarrollo de nanomedicina. [7]
Las ventas de nanomedicina alcanzaron los 16.000 millones de dólares en 2015, y cada año se invierte un mínimo de 3.800 millones de dólares en investigación y desarrollo en nanotecnología. La financiación mundial para la nanotecnología emergente aumentó un 45% anual en los últimos años, y las ventas de productos superaron el billón de dólares en 2013. [8] A medida que la industria de la nanomedicina siga creciendo, se espera que tenga un impacto significativo en la economía.
La nanotecnología ha brindado la posibilidad de administrar medicamentos a células específicas utilizando nanopartículas. [9] [10] El consumo general de fármacos y los efectos secundarios se pueden reducir significativamente depositando el agente farmacéutico activo únicamente en la región mórbida y no en dosis superiores a las necesarias. La administración dirigida de medicamentos tiene como objetivo reducir los efectos secundarios de los medicamentos con una disminución concomitante en el consumo y los gastos de tratamiento. Además, la administración dirigida del fármaco reduce los efectos secundarios que presenta el fármaco crudo al minimizar la exposición no deseada a las células sanas. La administración de fármacos se centra en maximizar la biodisponibilidad tanto en lugares específicos del cuerpo como durante un período de tiempo. Potencialmente, esto se puede lograr mediante la focalización molecular mediante dispositivos de nanoingeniería. [11] [12] Un beneficio de utilizar la nanoescala para tecnologías médicas es que los dispositivos más pequeños son menos invasivos y posiblemente puedan implantarse dentro del cuerpo, además los tiempos de reacción bioquímica son mucho más cortos. Estos dispositivos son más rápidos y sensibles que la administración típica de medicamentos. [13] La eficacia de la administración de medicamentos a través de la nanomedicina se basa en gran medida en: a) encapsulación eficiente de los medicamentos, b) administración exitosa del medicamento a la región objetivo del cuerpo, yc) liberación exitosa del medicamento. [14] En 2019 había varios medicamentos de nanoadministración en el mercado. [15]
Se pueden diseñar sistemas de administración de fármacos, nanopartículas basadas en lípidos [16] o polímeros, para mejorar la farmacocinética y la biodistribución del fármaco. [17] [18] [19] Sin embargo, la farmacocinética y la farmacodinamia de la nanomedicina son muy variables entre los diferentes pacientes. [20] Cuando están diseñadas para evitar los mecanismos de defensa del cuerpo, [21] las nanopartículas tienen propiedades beneficiosas que pueden usarse para mejorar la administración de medicamentos. Se están desarrollando mecanismos complejos de administración de fármacos, incluida la capacidad de hacer que los fármacos atraviesen las membranas celulares y lleguen al citoplasma celular . La respuesta desencadenada es una forma de utilizar las moléculas de fármacos de manera más eficiente. Las drogas se colocan en el cuerpo y solo se activan al encontrar una señal particular. Por ejemplo, un fármaco con poca solubilidad será reemplazado por un sistema de administración de fármacos en el que existan entornos hidrófilos e hidrófobos, lo que mejorará la solubilidad. [22] Los sistemas de administración de fármacos también pueden prevenir el daño tisular mediante la liberación regulada de fármacos; reducir las tasas de eliminación de medicamentos; o disminuir el volumen de distribución y reducir el efecto en el tejido no objetivo. Sin embargo, la biodistribución de estas nanopartículas aún es imperfecta debido a las complejas reacciones del huésped a los materiales de tamaño nano y micro [21] y a la dificultad para apuntar a órganos específicos del cuerpo. Sin embargo, todavía se está trabajando mucho para optimizar y comprender mejor el potencial y las limitaciones de los sistemas de nanopartículas. Si bien el avance de la investigación demuestra que las nanopartículas pueden aumentar la orientación y la distribución, los peligros de la nanotoxicidad se convierten en un siguiente paso importante para comprender mejor sus usos médicos. [23] La toxicidad de las nanopartículas varía según el tamaño, la forma y el material. Estos factores también afectan la acumulación y el daño a los órganos que puede ocurrir. Las nanopartículas están hechas para ser duraderas, pero esto hace que queden atrapadas dentro de los órganos, específicamente el hígado y el bazo, ya que no pueden descomponerse ni excretarse. Se ha observado que esta acumulación de material no biodegradable causa daño e inflamación a los órganos en ratones. [24] La administración magnética dirigida de nanopartículas magnéticas al sitio del tumor bajo la influencia de campos magnéticos estacionarios no homogéneos puede conducir a un mayor crecimiento del tumor. Para evitar los efectos protumorales se deben utilizar campos electromagnéticos alternos. [25]
Se están investigando las nanopartículas por su potencial para disminuir la resistencia a los antibióticos o para diversos usos antimicrobianos. [26] [27] [28] [29] Las nanopartículas también podrían usarse para eludir los mecanismos de resistencia a múltiples fármacos (MDR). [9]
Los avances en la nanotecnología de lípidos fueron fundamentales para diseñar nanodispositivos médicos y nuevos sistemas de administración de fármacos, así como para desarrollar aplicaciones de detección. [30] Otro sistema para la entrega de microARN bajo investigación preliminar son las nanopartículas formadas por el autoensamblaje de dos microARN diferentes desregulados en el cáncer. [31] Una posible aplicación se basa en pequeños sistemas electromecánicos, como los sistemas nanoelectromecánicos que se están investigando para la liberación activa de fármacos y sensores para un posible tratamiento del cáncer con nanopartículas de hierro o capas de oro. [32]
Algunos medicamentos basados en nanotecnología que están disponibles comercialmente o en ensayos clínicos en humanos incluyen:
Las imágenes in vivo son otra área donde se están desarrollando herramientas y dispositivos. [39] Al utilizar agentes de contraste de nanopartículas , imágenes como la ecografía y la resonancia magnética tienen una distribución favorable y un contraste mejorado. En imágenes cardiovasculares, las nanopartículas tienen potencial para ayudar a visualizar la acumulación de sangre, la isquemia, la angiogénesis , la aterosclerosis y las áreas focales donde hay inflamación. [39]
El pequeño tamaño de las nanopartículas les confiere propiedades que pueden resultar muy útiles en oncología , especialmente en imágenes. [9] Los puntos cuánticos (nanopartículas con propiedades de confinamiento cuántico, como la emisión de luz de tamaño ajustable), cuando se usan junto con MRI (imágenes por resonancia magnética), pueden producir imágenes excepcionales de los sitios de los tumores. Las nanopartículas de seleniuro de cadmio ( puntos cuánticos ) brillan cuando se exponen a la luz ultravioleta. Cuando se inyectan, se filtran en los tumores cancerosos . El cirujano puede ver el tumor brillante y utilizarlo como guía para una extirpación más precisa del tumor. Estas nanopartículas son mucho más brillantes que los tintes orgánicos y solo necesitan una fuente de luz para excitarse. Esto significa que el uso de puntos cuánticos fluorescentes podría producir una imagen de mayor contraste y a un costo menor que los tintes orgánicos utilizados actualmente como medios de contraste . La desventaja, sin embargo, es que los puntos cuánticos suelen estar formados por elementos bastante tóxicos, pero este problema puede solucionarse mediante el uso de dopantes fluorescentes. [40]
El seguimiento del movimiento puede ayudar a determinar qué tan bien se distribuyen los medicamentos o cómo se metabolizan las sustancias. Es difícil rastrear un pequeño grupo de células en todo el cuerpo, por lo que los científicos solían teñir las células. Estos tintes necesitaban ser excitados por luz de una determinada longitud de onda para que se iluminaran. Si bien los tintes de diferentes colores absorben diferentes frecuencias de luz, se necesitaban tantas fuentes de luz como células. Una forma de solucionar este problema es con etiquetas luminiscentes. Estas etiquetas son puntos cuánticos adheridos a proteínas que penetran las membranas celulares. [40] Los puntos pueden tener un tamaño aleatorio, pueden estar hechos de material bioinerte y demuestran la propiedad a nanoescala de que el color depende del tamaño. Como resultado, los tamaños se seleccionan de modo que la frecuencia de la luz utilizada para hacer que un grupo de puntos cuánticos sea fluorescente sea un múltiplo par de la frecuencia requerida para hacer que otro grupo sea incandescente. Entonces ambos grupos pueden iluminarse con una única fuente de luz. También han encontrado una manera de insertar nanopartículas [41] en las partes afectadas del cuerpo para que esas partes del cuerpo brillen mostrando el crecimiento o encogimiento del tumor o también problemas en los órganos. [42]
La nanotecnología en un chip es una dimensión más de la tecnología de laboratorio en un chip . Las nanopartículas magnéticas, unidas a un anticuerpo adecuado, se utilizan para marcar moléculas, estructuras o microorganismos específicos. En particular, las nanopartículas de sílice son inertes desde el punto de vista fotofísico y pueden acumular una gran cantidad de colorantes dentro de la cubierta de la nanopartícula. [43] Las nanopartículas de oro marcadas con segmentos cortos de ADN se pueden utilizar para la detección de secuencias genéticas en una muestra. Se ha logrado una codificación óptica multicolor para ensayos biológicos incorporando puntos cuánticos de diferentes tamaños en microperlas poliméricas . La tecnología de nanoporos para el análisis de ácidos nucleicos convierte cadenas de nucleótidos directamente en firmas electrónicas. [ cita necesaria ]
Los chips de prueba de sensores que contienen miles de nanocables, capaces de detectar proteínas y otros biomarcadores dejados por las células cancerosas, podrían permitir la detección y el diagnóstico del cáncer en las primeras etapas a partir de unas pocas gotas de sangre de un paciente. [44] La nanotecnología está ayudando a avanzar en el uso de artroscopios , que son dispositivos del tamaño de un lápiz que se utilizan en cirugías con luces y cámaras para que los cirujanos puedan realizar las cirugías con incisiones más pequeñas. Cuanto más pequeñas sean las incisiones, más rápido será el tiempo de curación, lo que será mejor para los pacientes. También está ayudando a encontrar una manera de hacer un artroscopio más pequeño que un mechón de cabello. [45]
La investigación sobre el diagnóstico del cáncer basado en nanoelectrónica podría conducir a pruebas que puedan realizarse en farmacias . Los resultados prometen ser muy precisos y el producto promete ser económico. Podrían extraer una cantidad muy pequeña de sangre y detectar cáncer en cualquier parte del cuerpo en unos cinco minutos, con una sensibilidad mil veces mejor que una prueba de laboratorio convencional. Estos dispositivos están construidos con nanocables para detectar proteínas cancerosas; Cada detector de nanocables está preparado para ser sensible a un marcador de cáncer diferente. [32] La mayor ventaja de los detectores de nanocables es que podrían detectar entre diez y cien afecciones médicas similares sin agregar costo al dispositivo de prueba. [46] La nanotecnología también ha ayudado a personalizar la oncología para la detección, el diagnóstico y el tratamiento del cáncer. Ahora se puede adaptar al tumor de cada individuo para lograr un mejor rendimiento. Han encontrado formas de apuntar a una parte específica del cuerpo afectada por el cáncer. [47]
A diferencia de la diálisis, que funciona según el principio de difusión de solutos relacionada con el tamaño y ultrafiltración de fluidos a través de una membrana semipermeable , la purificación con nanopartículas permite seleccionar sustancias específicas. [48] Además, se pueden eliminar compuestos más grandes que normalmente no son dializables. [49]
El proceso de purificación se basa en nanopartículas metálicas recubiertas de carbón o óxido de hierro funcionalizadas con propiedades ferromagnéticas o superparamagnéticas . [50] Los agentes aglutinantes como proteínas , [48] antibióticos , [51] o ligandos sintéticos [52] están unidos covalentemente a la superficie de la partícula. Estos agentes aglutinantes pueden interactuar con las especies objetivo formando un aglomerado. La aplicación de un gradiente de campo magnético externo permite ejercer una fuerza sobre las nanopartículas. Por lo tanto, las partículas pueden separarse del fluido a granel, limpiándolo así de los contaminantes. [53] [54]
El pequeño tamaño (< 100 nm) y la gran superficie de los nanoimanes funcionalizados conducen a propiedades ventajosas en comparación con la hemoperfusión , que es una técnica clínicamente utilizada para la purificación de la sangre y se basa en la adsorción superficial . Estas ventajas son una carga alta y accesible para los agentes aglutinantes, una alta selectividad hacia el compuesto objetivo, una difusión rápida, una pequeña resistencia hidrodinámica y una dosificación baja. [55]
La nanotecnología se puede utilizar como parte de la ingeniería de tejidos para ayudar a reproducir, reparar o remodelar el tejido dañado utilizando estructuras adecuadas basadas en nanomateriales y factores de crecimiento. Si la ingeniería de tejidos tiene éxito, podría reemplazar los tratamientos convencionales como los trasplantes de órganos o los implantes artificiales. Nanopartículas como grafeno, nanotubos de carbono, disulfuro de molibdeno y disulfuro de tungsteno se están utilizando como agentes de refuerzo para fabricar nanocompuestos poliméricos biodegradables mecánicamente fuertes para aplicaciones de ingeniería de tejido óseo. La adición de estas nanopartículas en la matriz polimérica en bajas concentraciones (~0,2% en peso) conduce a mejoras significativas en las propiedades mecánicas de compresión y flexión de los nanocompuestos poliméricos. [56] [57] Potencialmente, estos nanocompuestos pueden usarse como un compuesto novedoso, mecánicamente fuerte y liviano como implantes óseos. [ cita necesaria ]
Por ejemplo, se demostró que un soldador de carne fusionaba dos trozos de carne de pollo en una sola pieza utilizando una suspensión de nanocáscaras recubiertas de oro activadas por un láser infrarrojo. Esto podría usarse para soldar arterias durante la cirugía. [58] Otro ejemplo es la nanonefrología , el uso de nanomedicina en el riñón.
La interfaz neuroelectrónica es un objetivo visionario relacionado con la construcción de nanodispositivos que permitirán conectar y vincular computadoras al sistema nervioso. Esta idea requiere la construcción de una estructura molecular que permita el control y la detección de los impulsos nerviosos mediante una computadora externa. Una estrategia repostable implica que la energía se recarga de forma continua o periódica con fuentes eléctricas externas sónicas, químicas, conectadas, magnéticas o biológicas, mientras que una estrategia no repostable implica que toda la energía se extrae del almacenamiento interno de energía que se detendría cuando se agote toda la energía. Se ha desarrollado una célula de biocombustible enzimático a nanoescala para nanodispositivos autoalimentados que utiliza glucosa de biofluidos, incluida sangre humana y sandías. [59] Una limitación de esta innovación es el hecho de que es posible que se produzcan interferencias eléctricas, fugas o sobrecalentamiento debido al consumo de energía. El cableado de la estructura es extremadamente difícil porque deben ubicarse precisamente en el sistema nervioso. Las estructuras que proporcionarán la interfaz también deben ser compatibles con el sistema inmunológico del cuerpo. [60]
La nanotecnología molecular es un subcampo especulativo de la nanotecnología con respecto a la posibilidad de diseñar ensambladores moleculares , máquinas que podrían reordenar la materia a escala molecular o atómica. [ cita necesaria ] La nanomedicina haría uso de estos nanorobots , introducidos en el cuerpo, para reparar o detectar daños e infecciones. La nanotecnología molecular es altamente teórica y busca anticipar qué invenciones podría producir la nanotecnología y proponer una agenda para investigaciones futuras. Los elementos propuestos de la nanotecnología molecular, como los ensambladores moleculares y los nanorobots, están mucho más allá de las capacidades actuales. [1] [60] [61] Los avances futuros en nanomedicina podrían dar lugar a una extensión de la vida mediante la reparación de muchos procesos que se cree que son responsables del envejecimiento. K. Eric Drexler , uno de los fundadores de la nanotecnología, postuló máquinas de reparación celular, incluidas aquellas que operan dentro de las células y que utilizan máquinas moleculares aún hipotéticas , en su libro de 1986 Engines of Creation , con la primera discusión técnica sobre nanorobots médicos escrita por Robert Freitas. en 1999. [1] Raymond Kurzweil , un futurista y transhumanista , afirmó en su libro The Singularity Is Near que cree que la nanorobótica médica avanzada podría remediar completamente los efectos del envejecimiento para 2030. [62] Según Richard Feynman , fue su Albert Hibbs , ex estudiante de posgrado y colaborador , quien originalmente le sugirió ( c. 1959 ) la idea de un uso médico para las micromáquinas teóricas de Feynman (ver nanotecnología ). Hibbs sugirió que algún día algunas máquinas de reparación podrían reducirse de tamaño hasta el punto de que, en teoría, sería posible (como dijo Feynman) " tragarse al médico ". La idea se incorporó al ensayo de Feynman de 1959 Hay mucho espacio en la parte inferior . [63]