La nanotecnología del corazón es la “Ingeniería de sistemas funcionales a escala molecular” (“Nanotechnology Research”). [1]
La nanotecnología se ocupa de estructuras y materiales que tienen aproximadamente entre uno y cien nanómetros de longitud. A este nivel microscópico, la mecánica cuántica tiene lugar y está en vigor, lo que da lugar a comportamientos que parecerían bastante extraños en comparación con lo que los humanos ven a simple vista (materia normal). La nanotecnología se utiliza para una amplia variedad de campos de la tecnología, que van desde la energía hasta la electrónica y la medicina . En la categoría de la medicina, la nanotecnología es todavía relativamente nueva y aún no ha sido adoptada ampliamente en el campo. Es posible que la nanotecnología sea el nuevo avance de la medicina y, eventualmente, sea la solución y cura para muchos de los problemas de salud que enfrentan los humanos. La nanotecnología puede conducir a la cura de enfermedades como el resfriado común , las enfermedades y el cáncer . Ya se está empezando a utilizar como tratamiento para algunos problemas de salud graves; más específicamente, se utiliza para tratar el corazón y el cáncer. [ cita necesaria ]
La nanotecnología en el campo de la medicina se conoce más comúnmente como nanomedicina . La nanomedicina que se ocupa de ayudar al corazón realmente está empezando a despegar y ganar popularidad en comparación con la mayoría de los otros campos que la nanomedicina tiene para ofrecer actualmente. Hay varios problemas cardíacos de los que la nanotecnología tiene pruebas prometedoras de ser eficaz en el tratamiento de enfermedades cardíacas en un futuro próximo.
Es de esperar que pueda tratar las válvulas cardíacas defectuosas; y detectar y tratar la placa arterial en el corazón ("Nanotechnology Made Clear"). La nanomedicina debería poder ayudar a curar los corazones de personas que ya han sido víctimas de enfermedades cardíacas y ataques cardíacos . Por otro lado, también desempeñará un papel clave a la hora de encontrar personas con un alto riesgo de sufrir enfermedades cardíacas y podrá ayudar a prevenir que se produzcan ataques cardíacos en primer lugar. La nanotecnología del corazón es mucho menos invasiva que la cirugía porque todo ocurre a un nivel minúsculo en el cuerpo en comparación con los tejidos relativamente grandes que se tratan en la cirugía. Con nuestra tecnología actual, se realizan cirugías cardíacas para tratar el tejido cardíaco dañado como resultado de un ataque cardíaco. Se trata de una cirugía mayor de la que normalmente se tarda un par de meses en recuperarse ("WebMD - Better Information. Better Health"). Durante este período, los pacientes están extremadamente limitados en las actividades que pueden realizar. Este largo proceso de recuperación es un inconveniente para los pacientes y, con el crecimiento de la medicina, lo más probable es que no pase mucho tiempo antes de que se desarrolle y utilice un método más eficiente para tratar a los pacientes con ataques cardíacos. [ cita necesaria ] El método pionero para reemplazar la cirugía cardíaca mayor es el uso de la nanotecnología. Hay un par de formas alternativas de cirugía cardíaca que la nanotecnología potencialmente podrá ofrecer en el futuro.
En las personas que padecen enfermedades cardíacas o que han sufrido un ataque cardíaco, sus corazones suelen estar dañados y debilitados. Las formas más leves de insuficiencia cardíaca no requieren cirugía y a menudo se tratan con medicamentos ("WebMD - Better Information. Better Health"). El uso de la nanotecnología en el tratamiento de corazones dañados no reemplazará estos problemas cardíacos más leves, sino más bien los problemas cardíacos más graves que actualmente requieren cirugía o, a veces, incluso trasplantes de corazón .
Un grupo de ingenieros, médicos y científicos de materiales del MIT y del Children's Hospital Boston se han unido y están iniciando el movimiento para encontrar una manera de utilizar la nanotecnología para fortalecer el tejido cardíaco debilitado ("MIT - Instituto Tecnológico de Massachusetts"). El primer método utiliza nanotecnología combinada con ingeniería de tejidos , y se colocan y tejen nanocables de oro en las partes dañadas del corazón, reemplazando esencialmente los tejidos muertos o que no funcionan. [2]
El otro enfoque utilizaría potencialmente nanopartículas minúsculas que viajarían a través del cuerpo y encontrarían tejido cardíaco moribundo. Las nanopartículas transportarían objetos como " células madre , factores de crecimiento , fármacos y otros compuestos terapéuticos". [2] Luego, las nanopartículas liberarían los compuestos y los inyectarían en el tejido cardíaco dañado. En teoría, esto conduciría a la regeneración del tejido. [2]
Ser capaz de reparar tejido cardíaco que ha sido dañado por un ataque cardíaco o una enfermedad cardíaca no es muy sencillo y es uno de los mayores desafíos hoy en día en el campo de la ingeniería de tejidos (" Popular Science "). Esto se debe a que las células del corazón no son los objetos más fáciles de crear en un laboratorio. Se necesita una enorme cantidad de cuidado y trabajo especial para desarrollar las células de modo que latan sincronizadas entre sí ("Ciencia popular"). Incluso después de que finalmente se hayan producido las células del corazón, también es una gran tarea insertar las células en las partes inoperables del corazón y hacer que funcionen al unísono con los tejidos que todavía funcionan correctamente ("Ciencia popular").
Ha habido varios ejemplos exitosos de esto con el uso de un "parche cardíaco basado en células madre desarrollado por investigadores de la Universidad de Duke " ("Popular Science"). Los biomateriales que componen el parche suelen estar hechos de polímeros biológicos como el alginato o polímeros sintéticos como el ácido poliláctico ("Nature Nanotechnology"). Estos materiales son buenos para organizar las células en tejidos funcionales; sin embargo actúan como aislantes y son malos conductores de la electricidad, lo que supone un gran problema especialmente en el corazón ("Nature Nanotechnology"). Dado que las señales eléctricas que se envían entre los iones de calcio son las que controlan el momento en que los cardiomiocitos del corazón se contraen, lo que hace que el corazón lata, el parche cardíaco de células madre no es muy eficiente ni tan efectivo como a los médicos les gustaría que fuera (" Ciencia popular"). El resultado de que el parche no sea muy conductor es que las células no pueden lograr un latido suave y continuo en todo el tejido que contiene las células madre. Esto hace que el corazón no funcione correctamente, lo que a su vez podría significar que podrían surgir más problemas cardíacos debido a la implantación de células madre.
Recientemente [ ¿cuándo? ] Ha habido algunos nuevos desarrollos en el campo de la nanotecnología que serán más eficientes que el parche basado en células madre mal conductor ("Nature Nanotechnology"). Los científicos e investigadores encontraron una manera de que estos parches de células madre (también conocidos como andamios de tejido) sean conductores y, por lo tanto, se vuelvan exponencialmente [ cita necesaria ] más efectivos ("Nanotecnología de la naturaleza"). Descubrieron que al hacer crecer nanocables de oro dentro y a través de los parches, podían aumentar considerablemente la conductividad eléctrica . [2] Los nanocables son más gruesos que el andamio original y las células también están mejor organizadas. [2] También hay un aumento en la producción de las proteínas necesarias para la unión y contracción del calcio muscular. [2] Los nanocables de oro atraviesan el material de soporte de las células madre, lo que fortalece la comunicación eléctrica entre las células cardíacas circundantes. [2] Sin los nanocables, los parches de células madre producían una corriente diminuta y las células solo latían en pequeños grupos en el origen de la estimulación. [2] Con los nanocables, las células parecen contraerse juntas incluso cuando están agrupadas lejos de la fuente de estimulación. [2] El uso de nanocables de oro con parches de células madre en el corazón es todavía un concepto relativamente nuevo y probablemente pasará un tiempo antes de que se utilicen en humanos. Se espera que los nanocables se prueben en animales vivos en un futuro próximo. [2]
Otra forma en que se podría utilizar la nanotecnología para ayudar a reparar los tejidos cardíacos dañados es mediante el uso de "misiles" de nanopartículas guiadas. [2] Estas nanopartículas pueden adherirse y adherirse a las paredes de las arterias y secretar medicamentos a un ritmo lento ("MIT-Massachusetts Institute of Technology"). Las partículas, conocidas como nanoburrs debido a que están recubiertas con pequeños fragmentos de proteínas que se adhieren a ciertas proteínas y se dirigen a ellas. Se puede hacer que las nanorebabas liberen el fármaco que se les adjunta en el transcurso de varios días ("MIT-Massachusetts Institute of Technology"). Son únicos en comparación con los medicamentos regulares porque pueden encontrar el tejido dañado en particular, adherirse a él y liberar la carga útil del medicamento que está adherido a él ("MIT-Massachusetts Institute of Technology"). Lo que sucede es que las nanorebabas están dirigidas a una determinada estructura, conocida como membrana basal ; esta membrana recubre las paredes arteriales y solo está presente si el área está dañada. Las nanoburras podrían transportar medicamentos que sean eficaces en el tratamiento del corazón y también potencialmente transportar células madre para ayudar a regenerar el tejido cardíaco dañado ("MIT-Massachusetts Institute of Technology").
Las partículas están formadas por tres capas diferentes y tienen sesenta nanómetros de diámetro ("MIT-Massachusetts Institute of Technology"). La capa exterior es una capa de polímero llamada PEG, y su función es proteger el fármaco para que no se desintegre mientras está en proceso. viajando por el cuerpo. La capa intermedia consiste en una sustancia grasa y el núcleo interno contiene el fármaco real junto con una cadena de polímero, que controla la cantidad de tiempo que pasará antes de que se libere el fármaco ("MIT-Massachusetts Institute of Technology").
En un estudio realizado en ratas, las nanopartículas se inyectaron directamente en la cola de la rata y aún así pudieron alcanzar el objetivo deseado (la arteria carótida izquierda ) a una velocidad que era el doble de la cantidad de nanopartículas no objetivo ("MIT- Instituto de Tecnología de Massachusetts"). Debido a que las partículas pueden administrar medicamentos durante un largo período de tiempo y pueden inyectarse por vía intravenosa, los pacientes no necesitarían múltiples inyecciones repetidas ni cirugías invasivas en el corazón, lo que sería mucho más conveniente. El único inconveniente de esto es que los métodos de administración existentes son invasivos y requieren una inyección directa en el corazón, procedimientos con catéter o implantes quirúrgicos. [2] No hay duda, sin embargo, de que el futuro de las reparaciones cardíacas y la prevención de enfermedades y ataques cardíacos definitivamente implicará el uso de la nanotecnología de alguna manera. [ cita necesaria ]
Las nanopartículas de policetal son nanopartículas hidrofóbicas sensibles al pH formuladas a partir de poli (1-4-fenilenacetona dimetileno cetal). [3] Son un vehículo de administración de fármacos sensible a los ácidos, diseñado específicamente para atacar los entornos de tumores, fagosomas y tejido inflamatorio. [3] En entornos tan ácidos, estas nanopartículas se someten a una hidrólisis acelerada en compuestos hidrófilos de bajo peso molecular, liberando en consecuencia su contenido terapéutico a un ritmo más rápido. [3] A diferencia de las nanopartículas a base de poliéster, las nanopartículas de policetal no generan productos de degradación ácidos después de la hidrólisis [3] [4]
Después del infarto de miocardio , los leucocitos inflamatorios invaden el miocardio . Los leucocitos contienen altas cantidades de nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (NADPH) y Nox2. [5] [6] La Nox2 y la NADPH oxidasa se combinan para actuar como una fuente importante de producción de superóxido cardíaco , que en exceso puede provocar hipertrofia de miocitos , apoptosis, fibrosis y aumento de la expresión de metaloproteinasa -2 de la matriz. [5] En un estudio con modelo de ratón realizado por Somasuntharam et al. 2013, se utilizaron nanopartículas de policetal como vehículo de administración de ARNip para atacar e inhibir el Nox2 en el corazón infartado. [7] Después de la inyección intramiocárdica in vivo, las nanopartículas de ARNip de Nox2 impidieron la regulación positiva de la oxidasa Nox2-NADPH y mejoraron el acortamiento fraccional . [7] Cuando las nanopartículas son absorbidas por los macrófagos en el miocardio después de un IM, se degradan en el ambiente ácido de los endosomas / fagosomas , liberando ARNip específico de Nox2 en el citoplasma . [7]
Las nanopartículas de policetal también se han utilizado en el corazón de ratón infartado para prevenir la isquemia ( lesión por reperfusión causada por especies reactivas de oxígeno (ROS). [8] Los niveles del antioxidante Cu/Zn-superóxido dismutasa (SOD1), que elimina las ROS dañinas, disminuyen después de un IM. [9] Las nanopartículas de policetal encapsuladas en SOD1 son capaces de eliminar las ROS inducidas por la lesión por reperfusión. [8] Además, este tratamiento mejoró el acortamiento fraccional, lo que sugiere el beneficio de la administración dirigida por policetales. Una de las ventajas clave del uso de policetales es que no exacerban la respuesta inflamatoria, incluso cuando se administran en concentraciones que exceden los límites terapéuticos. [10] A diferencia de las nanopartículas de poli(ácido láctico-co-glicólico) (PLGA) comúnmente utilizadas, la administración de nanopartículas de policetal en ratones instiga poco reclutamiento de células inflamatorias. [10] Además, la inyección intramuscular de policetales en la pata de ratas no muestra aumentos significativos en las citocinas inflamatorias como IL-6 , IL-1ß , TNF-α e IL-12 . [10]