Los nanotubos de carbono (CNT) son muy comunes en el mundo de la investigación médica actual y se están investigando intensamente en los campos de la administración eficiente de fármacos y los métodos de biodetección para el tratamiento de enfermedades y el control de la salud. La tecnología de los nanotubos de carbono ha demostrado tener el potencial de mejorar los métodos de administración de fármacos y biodetección y, por lo tanto, los nanotubos de carbono han despertado recientemente interés en el campo de la medicina.
El uso de nanotubos de carbono en la administración de fármacos y la tecnología de biodetección tiene el potencial de revolucionar la medicina. Se ha demostrado que la funcionalización de los nanotubos de pared simple (SWNT) mejora la solubilidad y permite una eficiente focalización tumoral y administración de fármacos. Evita que los SWNT sean citotóxicos y alteren la función de las células inmunitarias.
El cáncer , un grupo de enfermedades en las que las células crecen y se dividen de forma anormal, es una de las principales enfermedades que se están estudiando en relación con su respuesta a la administración de fármacos CNT. La terapia actual contra el cáncer implica principalmente cirugía , radioterapia y quimioterapia . Estos métodos de tratamiento suelen ser dolorosos y matan células normales, además de producir efectos secundarios adversos. Los CNT como vehículos de administración de fármacos han demostrado potencial para dirigirse a células cancerosas específicas con una dosis menor que los fármacos convencionales utilizados, [1] que es igual de eficaz para matar las células, pero no daña las células sanas y reduce significativamente los efectos secundarios. [2] Los métodos actuales de control de la glucosa en sangre de los pacientes con diabetes normalmente son invasivos y a menudo dolorosos. Por ejemplo, un método implica un sensor de glucosa continuo integrado en una pequeña aguja que debe insertarse debajo de la piel para controlar los niveles de glucosa cada pocos días. [3] Otro método implica tiras de control de glucosa a las que se debe aplicar sangre. Estos métodos no solo son invasivos, sino que también pueden producir resultados inexactos. Se ha demostrado que el 70 por ciento de las lecturas de glucosa obtenidas por sensores de glucosa continuos diferían en un 10 por ciento o más y el 7 por ciento difería en más del 50 por ciento. [3] La gran área de superficie electroquímicamente accesible, la alta conductividad eléctrica y las propiedades estructurales útiles han demostrado el uso potencial de los nanotubos de pared simple (SWNT) y los nanotubos de pared múltiple (MWNT) en detectores de glucosa no invasivos de alta sensibilidad. [4]
Los CNT tienen varias propiedades químicas, de tamaño, ópticas, eléctricas y estructurales únicas que los hacen atractivos como plataformas de administración de fármacos y biosensores para el tratamiento de diversas enfermedades [5] y el monitoreo no invasivo de los niveles sanguíneos y otras propiedades químicas del cuerpo humano, respectivamente. [4]
Los nanotubos de carbono pueden ser metálicos o semiconductores dependiendo de su estructura. Esto se debe a la simetría y la estructura electrónica única del grafeno. Para un nanotubo (n,m) dado, si n = m, el nanotubo es metálico; si n − m es un múltiplo de 3, entonces el nanotubo es semiconductor con una brecha de banda muy pequeña, de lo contrario el nanotubo es un semiconductor moderado. [6] Por lo tanto, todos los nanotubos de sillón (n=m) son metálicos, y los nanotubos (5,0), (6,4), (9,1), etc. son semiconductores. Por lo tanto, algunos nanotubos tienen conductividades superiores a la del cobre, mientras que otros se comportan más como el silicio.
Debido a sus dimensiones a escala nanométrica, el transporte de electrones en los nanotubos de carbono se realizará a través de efectos cuánticos y solo se propagará a lo largo del eje del tubo. Estas propiedades eléctricas y estructurales son las más útiles para los nanotubos de carbono en lo que respecta a la biodetección, ya que los cambios de corriente en los nanotubos de carbono pueden indicar entidades biológicas específicas que están diseñados para detectar. El hecho de que los nanotubos de carbono sean pequeños (escala nanométrica) les permite administrar dosis más pequeñas de medicamentos a células enfermas específicas en el cuerpo, lo que reduce los efectos secundarios y el daño a las células sanas a diferencia de los medicamentos convencionales, al tiempo que mejora la eficiencia de la focalización de las células enfermas. [6]
Se ha observado que los CNT tienen una solubilidad mejorada cuando se funcionalizan con lípidos, lo que facilitaría su movimiento a través del cuerpo humano y también reduciría el riesgo de bloqueo de las vías de los órganos vitales del cuerpo. En lo que respecta a las propiedades ópticas, se ha demostrado que los CNT exhiben una fuerte absorbancia óptica en ciertas ventanas espectrales como la luz NIR (infrarrojo cercano) y cuando se funcionalizan con entidades de unión específicas de células tumorales han permitido la destrucción selectiva de células patológicas (por ejemplo, cáncer) con NIR en aplicaciones de administración de fármacos. Tienen buenas propiedades químicas.
La administración de fármacos es un área en rápido crecimiento que ahora está aprovechando la tecnología de los nanotubos. Los sistemas que se utilizan actualmente para la administración de fármacos incluyen dendrímeros, polímeros y liposomas, pero los nanotubos de carbono presentan la oportunidad de trabajar con estructuras efectivas que tienen altas capacidades de carga de fármacos y buenas cualidades de penetración celular. Estos nanotubos funcionan con un volumen interno más grande para ser utilizados como contenedor del fármaco, grandes relaciones de aspecto para numerosos accesorios de funcionalización y la capacidad de ser fácilmente absorbidos por la célula. [7] Debido a su estructura de tubo, los nanotubos de carbono se pueden fabricar con o sin tapas en los extremos, lo que significa que sin tapas en los extremos el interior donde se encuentra el fármaco sería más accesible. En este momento, con los sistemas de administración de fármacos con nanotubos de carbono, surgen problemas como la falta de solubilidad, la aparición de aglutinaciones y la vida media. [8] Sin embargo, todos estos son problemas que actualmente se están abordando y modificando para lograr más avances en el campo de los nanotubos de carbono. Las ventajas de los nanotubos de carbono como nanovectores para la administración de fármacos se mantienen, ya que se demostró que la absorción celular de estas estructuras era eficaz y los efectos eran prominentes, lo que demuestra que los nanotubos en particular pueden ser menos dañinos como nanovehículos para fármacos. [9] Además, se ha demostrado que la encapsulación de fármacos mejora la dispersabilidad en agua, una mejor biodisponibilidad y una menor toxicidad. La encapsulación de moléculas también proporciona una aplicación de almacenamiento de material, así como protección y liberación controlada de moléculas cargadas. [8] Todo esto da como resultado una buena base para la administración de fármacos, donde una mayor investigación y comprensión podrían mejorar muchos otros avances, como una mayor solubilidad en agua, una menor toxicidad, una vida media sostenida, una mayor penetración y absorción celular, todas las cuales son ideas novedosas pero no desarrolladas en la actualidad.
Narayan Hosmane y sus colaboradores han desarrollado recientemente un nuevo enfoque para la terapia de captura de neutrones de boro en el tratamiento del cáncer utilizando nanotubos de carbono de pared simple solubles en agua con carborano sustituido añadido. [10] Las jaulas de carborano C2B10 sustituido se unieron con éxito a las paredes laterales de los nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT) a través de cicloadición de nitreno. Las decapitaciones de estas jaulas de carborano C2B10, con los SWCNT añadidos intactos, se lograron mediante la reacción con hidróxido de sodio en etanol a reflujo. Durante el reflujo de base, el anillo de tres miembros formado por el nitreno y los SWCNT se abrió para producir SWCNT solubles en agua en los que las paredes laterales estaban funcionalizadas tanto por unidades de carborano nido-C2B9 sustituido como por fracciones de etóxido. Todos los compuestos nuevos se caracterizaron mediante espectros de EA, SEM, TEM, UV, RMN e IR y análisis químicos. Estudios de distribución de tejidos seleccionados en uno de estos nanotubos, {([Na+][1-Me-2-((CH2)4NH-)-1,2-C2B9H10][OEt])n(SWCNT)} (Va), mostraron que los átomos de boro se concentran más en las células tumorales que en la sangre y otros órganos, lo que lo convierte en un nanovehículo atractivo para la administración de boro a las células tumorales para una terapia eficaz de captura de neutrones de boro en el tratamiento del cáncer. [10]
Los nanotubos de carbono se pueden utilizar como transportadores biológicos multifuncionales y agentes de infrarrojo cercano para la destrucción selectiva de células cancerosas. [11] Se sabe que los sistemas biológicos son altamente transparentes a la luz de infrarrojo cercano (NIR) de 700 a 1100 nm. Los investigadores demostraron que la fuerte absorbancia óptica de los nanotubos de carbono de pared simple (SWNT) en esta ventana espectral especial, una propiedad intrínseca de los SWNT, se puede utilizar para la estimulación óptica de nanotubos dentro de células vivas para proporcionar transportadores biológicos de nanotubos multifuncionales. Utilizaron oligonucleótidos transportados dentro de células Hela vivas por nanotubos. Los oligonucleótidos se translocaron al núcleo celular tras la ruptura endosómica desencadenada por pulsos de láser NIR. La radiación NIR continua causó la muerte celular debido al calentamiento local excesivo de SWNT in vitro. La destrucción selectiva de células cancerosas se logró mediante la funcionalización de SWNT con una fracción de folato, la internalización selectiva de SWNT dentro de células marcadas con marcadores tumorales de receptores de folato y la muerte celular desencadenada por NIR, sin dañar las células normales sin receptores. Por lo tanto, las capacidades de transporte de los nanotubos de carbono combinadas con una química de funcionalización adecuada y sus propiedades ópticas intrínsecas pueden conducir a nuevas clases de nanomateriales novedosos para la administración de fármacos y la terapia contra el cáncer. [11]
Se han llevado a cabo investigaciones sobre la biodistribución in vivo y la focalización tumoral altamente eficiente de nanotubos de carbono en ratones para la terapia del cáncer. [12] Se están realizando investigaciones sobre la biodistribución de SWNT radiomarcados en ratones mediante tomografía por emisión de positrones (PET) in vivo, biodistribución ex vivo y espectroscopia Raman. Se descubrió que los SWNT que están funcionalizados con fosfolípidos que contienen polietilenglicol (PEG) son sorprendentemente estables in vivo . Se estudió el efecto de la longitud de la cadena de PEG en la biodistribución y circulación de los SWNT. Los SWNT PEGilados de manera efectiva exhibieron tiempos de circulación sanguínea relativamente largos y baja captación por el sistema reticuloendotelial (RES). Se logró una focalización eficiente del tumor positivo a la integrina en ratones con SWNT recubiertos con cadenas de PEG unidas a un péptido de arginina-glicina-ácido aspártico (RGD). Una alta acumulación tumoral se atribuyó al efecto multivalente de los SWNT. Las firmas Raman de SWNT se utilizaron para investigar directamente la presencia de nanotubos en tejidos de ratones y confirmar los resultados basados en la etiqueta radioactiva. [12]
Un nanotubo individual experimenta un cambio en la resistencia eléctrica cuando experimenta tensión o deformación. Este efecto piezorresistivo cambia el flujo de corriente a través del nanotubo, que se puede medir para cuantificar con precisión la tensión aplicada. Una colocación semi-aleatoria de muchos nanotubos superpuestos forma una red conductora de electricidad compuesta por muchos nanotubos piezorresistivos. Si la varianza de las longitudes y ángulos de los tubos se conoce y se puede controlar durante la fabricación, se puede utilizar un enfoque de sistema propio para determinar el flujo de corriente esperado entre dos puntos cualesquiera de la red. [13] La red de tubos está incrustada dentro de placas ortopédicas, abrazaderas y tornillos y en injertos óseos para determinar el estado de curación del hueso midiendo el efecto de una carga en la placa, abrazadera, tornillo u otro dispositivo de fijación unido al hueso. Un hueso curado soportará la mayor parte de la carga, mientras que un hueso aún no curado diferirá la carga al dispositivo de fijación en el que la red de nanotubos puede medir el cambio en la resistividad. La medición se realiza de forma inalámbrica por inducción eléctrica. Esto permite al médico evaluar con precisión la curación del paciente y también permite que el paciente sepa cuánta tensión puede tolerar sin peligro la zona afectada. La ley de Wolff indica que el hueso responde de manera positiva a cantidades seguras de tensión, que pueden ser necesarias para una curación adecuada.
Se han fabricado biosensores amperométricos basados en nanotubos de carbono y polímeros de plasma para la detección ultrasensible de glucosa. [14] Se fabricaron dos biosensores enzimáticos amperométricos. Uno tenía nanotubos de pared simple y el otro nanotubos de pared múltiple; sin embargo, en ambos se incorporaron películas delgadas polimerizadas por plasma (PPF). Una mezcla de la enzima glucosa oxidasa (GOD) y una película de CNT se intercalaron con PPF de acetonitrilo de 10 nm de espesor. Se depositó una capa de PPF sobre un electrodo de oro pulverizado. Para facilitar la comunicación electroquímica entre la capa de CNT y GOD, los CNT se trataron con plasma de oxígeno. El dispositivo con CNT de pared simple mostró una sensibilidad mayor que la de los CNT de pared múltiple. El biosensor de glucosa mostró ultrasensibilidad (una sensibilidad de 40 μA mM-1 cm-2, un coeficiente de correlación de 0,992, un rango de respuesta lineal de 0,025 –1,9 mM, un límite de detección de 6,2 μM en S/N = 3, +0,8V vs Ag/AgCl), y una respuesta rápida (<4 segundos en alcanzar el 95% de la respuesta máxima). Este alto rendimiento se atribuye al hecho de que los CNT tienen una excelente actividad electrocatalítica y mejoran la transferencia de electrones, y que los PPF y/o el proceso de plasma para los CNT son una plataforma amigable con las enzimas, es decir, un diseño adecuado de la interfaz entre GOD y CNT. [14]
Se desarrolló un biosensor ultrasensible de nanotubos de carbono alineados para la detección de ADN. [4] El diseño y la fabricación del biosensor se basaron en nanotubos de carbono de pared simple alineados (SWCNT) con ADN monocatenario integrado (ssDNA). El biosensor ultrasensible fabricado proporcionó una detección electrónica en tiempo real sin etiquetas de la hibridación de ADN entre el ssDNA inmovilizado en la superficie y el ssDNA objetivo. La cinética de hibridación entre los pares de bases de nucleótidos del ssDNA complementario y objetivo resultó en una generación de carga local entre pares de bases que se inyectó en los SWCNT, lo que resultó en un cambio detectable en la conductancia eléctrica de los SWCNT. Este cambio de conductancia se amplificó eléctricamente a través de la integración de los SWCNT funcionalizados como el canal semiconductor en un transistor de efecto de campo (FET) basado en silicio-óxido de silicio. Según cálculos cinéticos de ADN de Langmuir anteriores, el nivel de sensibilidad proyectado del sensor SWCNT-ADN fue considerablemente más alto que los ensayos de hibridación y fluorescencia tradicionales. [4]
Se desarrolló un biosensor microbiano basado en electrodos modificados con nanotubos de carbono (CNT). [15] Se utilizaron células de Pseudomonas putida DSM 50026 como componente biológico y la medición se basó en la actividad respiratoria de las células estimada a partir de mediciones electroquímicas. Las células se inmovilizaron en electrodos de pasta de carbono (CPE) modificados con nanotubos de carbono (CNT) por medio de un polímero de osmio redox. El polímero de osmio transportó electrones de manera eficiente entre las enzimas redox ubicadas en la pared celular de las células y promovió una unión estable a la superficie del electrodo. Se investigó el efecto de variar las cantidades de CNT y polímero de osmio en la respuesta a la glucosa para encontrar la composición óptima del sensor. También se examinaron los efectos del pH y la temperatura. Después de los estudios de optimización, el sistema se caracterizó utilizando glucosa como sustrato. Además, el biosensor microbiano también se preparó utilizando bacterias adaptadas al fenol y luego se calibró para fenol. Después de eso, se aplicó para la detección de fenol en una muestra de agua residual artificial. [15] El estudio encontró que los biosensores de células completas de P. putida que utilizan polímeros Os-redox podrían ser buenas alternativas para el análisis de diferentes sustratos como la glucosa y los xenobióticos en ausencia de oxígeno con alta sensibilidad debido a la rápida eficiencia de recolección de electrones entre el polímero Os-redox y las células bacterianas. El uso de cantidades óptimas de CNT y el mediador Os redox proporcionó una mejor sensibilidad del sensor al promover la transferencia de electrones dentro de la estructura del biosensor. Las principales desventajas fueron la gran área superficial de los CNT que aumentó la corriente de fondo y el problema de difusión de electrones que se produjo debido a la superposición de las capas de difusión formadas en CNT muy espaciados en la película. Sin embargo, estos problemas podrían superarse optimizando las cantidades de CNT y polímero. [15]
Las investigaciones muestran que los nanotubos de carbono funcionalizados no son citotóxicos y preservan la funcionalidad de las células inmunes primarias. [16] Se prepararon dos tipos de f-CNT, siguiendo la reacción de cicloadición 1,3-dipolar (f-CNT 1 y 2) y el tratamiento de oxidación/amidación (f-CNT 3 y 4), respectivamente. Ambos tipos de f-CNT fueron absorbidos por los linfocitos B y T, así como por los macrófagos in vitro, sin afectar la viabilidad celular. Posteriormente, se analizó cuidadosamente la funcionalidad de las diferentes células. Se descubrió que el f-CNT 1, que es altamente soluble en agua, no influyó en la actividad funcional de las células inmunorreguladoras. El f-CNT 3, que en cambio posee una solubilidad reducida y forma principalmente suspensiones acuosas estables, preservó la funcionalidad de los linfocitos al tiempo que provocó la secreción de citocinas proinflamatorias por los macrófagos. Una cosa importante a destacar de este estudio es el hecho de que ciertos tipos de CNT funcionalizados con lípidos son altamente solubles en agua, lo que facilitaría su movimiento a través del cuerpo humano y también reduciría el riesgo de bloqueo de vías de órganos vitales del cuerpo, haciéndolos así más atractivos como vehículos de administración de fármacos. [16]
Se investigó la toxicidad in vitro de nanotubos de carbono de pared simple y de pared múltiple en células de astrocitoma humano y carcinoma pulmonar. [17] El estudio se realizó para caracterizar las propiedades fisicoquímicas de nanotubos de pared simple (SWNT), nanotubos de pared múltiple (MWNT) y MW funcionalizados (MW-COOH y MW-NH2), y para evaluar su citotoxicidad en células de astrocitoma humano D384 y células de carcinoma pulmonar A549, utilizando el ensayo MTT y tinción con calceína/yoduro de propidio (PI). Tanto los nanotubos tal como se recibieron como los modificados se caracterizaron por medio de análisis térmico (TGA), espectroscopia infrarroja y microscopía de fuerza atómica principalmente para verificar el grado de funcionalización. Las células se expusieron a los nanomateriales (0,1–100 μg/ml) durante 24, 48 y 72 horas en un medio que contenía 10% de FCS. En las células D384, los resultados de MTT revelaron una fuerte citotoxicidad (50%) de los SWNT después de una exposición de 24 horas ya a 0,1 μg/ml, sin cambios adicionales a concentraciones más altas o tiempos de incubación más prolongados. En todos los puntos temporales, el metabolismo de MTT disminuyó en un 50% por todos los demás compuestos a 10 μg/ml y sin exacerbación a la dosis más alta. Se obtuvieron resultados similares con células A549. Los experimentos que utilizaron tinción de calceína/PI no confirmaron los datos de citotoxicidad de MTT ni en las células D384 ni en las A549. La viabilidad de estas células no se vio afectada por ningún nanotubo en ninguna concentración o tiempo de exposición, con la excepción del control positivo SiO2. Los resultados sugirieron la necesidad de un examen cuidadoso de los efectos tóxicos de los nanotubos de carbono mediante múltiples pruebas para evitar el posible problema de los resultados artificiales debido a la interferencia de los nanomateriales con los marcadores de colorante empleados. [17]
Los nanotubos de carbono de paredes múltiples se han investigado en varias especies por su potencial para promover la mutagénesis. Estudios en espinacas, ratones, varias líneas celulares humanas y ratas han demostrado que la exposición a MWCNT está asociada con daño oxidativo , aumento de la apoptosis , daño cromosómico y necrosis . Un estudio en ratones encontró que los biomarcadores para el cáncer de pulmón se vieron afectados específicamente por la exposición a MWCNT; estos biomarcadores se están investigando como un método para monitorear la exposición ocupacional a los nanotubos de carbono. [18] [19]
Se investigó la citotoxicidad en células de macrófagos alveolares sanos obtenidos de cobayas adultos para nanotubos de pared simple (SWNT), nanotubos de pared múltiple (con diámetros que van desde 10 a 20 nm, MWNT10) y fulereno (C60) con fines comparativos. [20] Se observó una citotoxicidad profunda de SWNT en macrófagos alveolares (AM) después de una exposición de 6 horas in vitro. La citotoxicidad aumentó hasta un ~35% cuando la dosis de SWNT se incrementó en 11,30 μg/cm2. No se observó toxicidad significativa para C60 hasta una dosis de 226,00 μg/cm2. La citotoxicidad aparentemente siguió un orden de secuencia sobre una base de masa: SWNT > MWNT10 > cuarzo > C60. Los SWNTs perjudicaron significativamente la fagocitosis de AM a la dosis baja de 0,38 μg/cm2, mientras que MWNT10 y C60 indujeron daño solo a la dosis alta de 3,06 μg/cm2. Los macrófagos expuestos a SWNTs o MWNT10 de 3,06 μg/cm2 mostraron rasgos característicos de necrosis y degeneración. Probablemente existió un signo de muerte celular apoptótica. Se concluyó a partir del estudio que los nanomateriales de carbono con diferentes estructuras geométricas exhiben citotoxicidad y bioactividad bastante diferentes in vitro, aunque es posible que no se reflejen con precisión en la toxicidad comparativa in vivo. [20]