La nanomedicina es la aplicación médica de la nanotecnología . [1] La nanomedicina abarca desde las aplicaciones médicas de los nanomateriales y dispositivos biológicos , hasta los biosensores nanoelectrónicos e incluso posibles aplicaciones futuras de la nanotecnología molecular como las máquinas biológicas . Los problemas actuales de la nanomedicina implican la comprensión de las cuestiones relacionadas con la toxicidad y el impacto ambiental de los materiales a escala nanométrica (materiales cuya estructura está en la escala de los nanómetros, es decir, milmillonésimas de metro ). [2] [3]
Se pueden añadir funcionalidades a los nanomateriales al interconectarlos 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 la investigación y las 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 conjunto valioso de herramientas de investigación y dispositivos clínicamente útiles en el futuro cercano. [4] [5] La Iniciativa Nacional de Nanotecnología espera nuevas aplicaciones comerciales en la industria farmacéutica que pueden incluir sistemas avanzados de administración de medicamentos, nuevas terapias e imágenes in vivo . [6] La investigación en nanomedicina está recibiendo fondos 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 nanomedicamentos alcanzaron los 16 mil millones de dólares en 2015, con un mínimo de 3.8 mil millones de dólares en I+D en nanotecnología invertidos cada año. La financiación global 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 proporcionado la posibilidad de administrar medicamentos a células específicas utilizando nanopartículas. [9] [10] El consumo total de medicamentos y los efectos secundarios pueden reducirse significativamente depositando el agente farmacéutico activo solo en la región mórbida y en una dosis no mayor que la necesaria. La administración dirigida de medicamentos tiene como objetivo reducir los efectos secundarios de los medicamentos con disminuciones concomitantes en el consumo y los gastos de tratamiento. Además, la administración dirigida de medicamentos reduce el efecto secundario que posee el medicamento crudo al minimizar la exposición no deseada a las células sanas. La administración de medicamentos se centra en maximizar la biodisponibilidad tanto en lugares específicos del cuerpo como durante un período de tiempo. Esto potencialmente se puede lograr mediante la orientación molecular mediante dispositivos de nanoingeniería. [11] [12] Una ventaja del uso de la nanoescala para tecnologías médicas es que los dispositivos más pequeños son menos invasivos y posiblemente se pueden implantar dentro del cuerpo, además de que los tiempos de reacción bioquímica son mucho más cortos. Estos dispositivos son más rápidos y más sensibles que la administración típica de medicamentos. [13] La eficacia de la administración de fármacos mediante nanomedicina se basa en gran medida en: a) la encapsulación eficiente de los fármacos, b) la administración exitosa del fármaco a la región específica del cuerpo y c) la liberación exitosa del fármaco. [14] En 2019, ya se comercializaban varios fármacos de administración nanométrica. [15]
Los sistemas de administración de fármacos, nanopartículas basadas en lípidos [16] o polímeros, pueden diseñarse para mejorar la farmacocinética y la biodistribución del fármaco. [17] [18] [19] Sin embargo, la farmacocinética y la farmacodinámica de la nanomedicina son muy variables entre diferentes pacientes. [20] Cuando se diseñan para evitar los mecanismos de defensa del cuerpo, [21] las nanopartículas tienen propiedades beneficiosas que pueden usarse para mejorar la administración de fármacos. 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 los fármacos de forma más eficiente. Los fármacos se colocan en el cuerpo y solo se activan al encontrar una señal particular. Por ejemplo, un fármaco con poca solubilidad se reemplazará por un sistema de administración de fármacos en el que existan entornos tanto hidrófilos como hidrófobos, lo que mejora la solubilidad. [22] Los sistemas de administración de fármacos también pueden prevenir el daño tisular a través de la liberación regulada del fármaco; reducir las tasas de depuración del fármaco; o reducir el volumen de distribución y reducir el efecto sobre 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 la dificultad de dirigirse a órganos específicos del cuerpo. No obstante, 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 la focalización y la distribución se pueden aumentar con nanopartículas, 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, dependiendo del tamaño, la forma y el material. Estos factores también afectan la acumulación y el daño orgánico 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 se pueden descomponer ni excretar. Se ha observado que esta acumulación de material no biodegradable causa daño orgánico e inflamación en ratones. [24] La administración 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 pro-tumorigénicos, se deben utilizar campos electromagnéticos alternos. [25]
Las nanopartículas se están investigando por su potencial para reducir 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 nanotecnología lipídica fueron fundamentales en la ingeniería de nanodispositivos médicos y nuevos sistemas de administración de fármacos, así como en el desarrollo de aplicaciones de detección. [30] Otro sistema para la administración de microARN bajo investigación preliminar son las nanopartículas formadas por el autoensamblaje de dos microARN diferentes desregulados en el cáncer. [31] Una aplicación potencial se basa en pequeños sistemas electromecánicos, como los sistemas nanoelectromecánicos que se están investigando para la liberación activa de fármacos y sensores para el posible tratamiento del cáncer con nanopartículas de hierro o capas de oro. [32] Otro sistema de administración de fármacos que involucra nanopartículas es el uso de acuasomas , nanopartículas autoensambladas con un centro nanocristalino , un recubrimiento hecho de un oligómero de polihidroxilo , cubierto en el fármaco deseado, que lo protege de la deshidratación y el cambio conformacional . [33]
Algunos medicamentos basados en nanotecnología que están disponibles comercialmente o en ensayos clínicos en humanos incluyen:
La obtención de imágenes in vivo es otra área en la que se están desarrollando herramientas y dispositivos. [40] Mediante el uso de agentes de contraste de nanopartículas , las imágenes como la ecografía y la resonancia magnética tienen una distribución favorable y un contraste mejorado. En la obtención de imágenes cardiovasculares, las nanopartículas tienen el potencial de ayudar a visualizar la acumulación de sangre, la isquemia, la angiogénesis , la aterosclerosis y las áreas focales donde hay inflamación. [40]
El pequeño tamaño de las nanopartículas les confiere propiedades que pueden resultar muy útiles en oncología , particularmente en imágenes. [9] Los puntos cuánticos (nanopartículas con propiedades de confinamiento cuántico, como la emisión de luz ajustable por tamaño), cuando se utilizan junto con la resonancia magnética (MRI), pueden producir imágenes excepcionales de los sitios tumorales. 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 resplandeciente y usarlo como guía para una eliminación más precisa del tumor. Estas nanopartículas son mucho más brillantes que los tintes orgánicos y solo necesitan una fuente de luz para la excitación. Esto significa que el uso de puntos cuánticos fluorescentes podría producir una imagen de mayor contraste y a un menor costo que los tintes orgánicos actuales utilizados como medios de contraste . La desventaja, sin embargo, es que los puntos cuánticos generalmente están hechos de elementos bastante tóxicos, pero esta preocupación puede abordarse mediante el uso de dopantes fluorescentes. [41]
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 teñirlas. Estos tintes debían 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 evitar este problema es con las etiquetas luminiscentes. Estas etiquetas son puntos cuánticos unidos a proteínas que penetran las membranas celulares. [41] Los puntos pueden ser de tamaño aleatorio, pueden estar hechos de material bioinerte y demuestran la propiedad a escala nanométrica de que el color depende del tamaño. Como resultado, se seleccionan tamaños de modo que la frecuencia de la luz utilizada para hacer que un grupo de puntos cuánticos emita fluorescencia sea un múltiplo par de la frecuencia requerida para hacer que otro grupo emita incandescencia. Luego, ambos grupos pueden iluminarse con una sola fuente de luz. También han encontrado una forma de insertar nanopartículas [42] en las partes afectadas del cuerpo para que esas partes brillen mostrando el crecimiento o la contracción del tumor o también problemas en los órganos. [43]
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 etiquetar 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 capa de la nanopartícula. [44] Las nanopartículas de oro etiquetadas con segmentos cortos de ADN se pueden utilizar para la detección de secuencias genéticas en una muestra. La codificación óptica multicolor para ensayos biológicos se ha logrado mediante la incrustación de 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 requerida ]
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. [45] 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 es mejor para los pacientes. También está ayudando a encontrar una manera de hacer un artroscopio más pequeño que un mechón de cabello. [46]
La investigación sobre diagnósticos de cáncer basados en nanoelectrónica podría conducir a pruebas que se puedan realizar en farmacias . Los resultados prometen ser muy precisos y el producto promete ser económico. Podrían tomar una cantidad muy pequeña de sangre y detectar el cáncer en cualquier parte del cuerpo en aproximadamente cinco minutos, con una sensibilidad que es 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 condiciones médicas similares sin agregarle costo al dispositivo de prueba. [47] La nanotecnología también ha ayudado a personalizar la oncología para la detección, diagnóstico y tratamiento del cáncer. Ahora se puede adaptar al tumor de cada individuo para un mejor rendimiento. Han encontrado formas de poder apuntar a una parte específica del cuerpo que esté siendo afectada por el cáncer. [48]
A diferencia de la diálisis, que funciona según el principio de difusión de solutos relacionada con el tamaño y la ultrafiltración de fluido a través de una membrana semipermeable , la purificación con nanopartículas permite la focalización específica de sustancias. [49] Además, se pueden eliminar compuestos más grandes que normalmente no son dializables. [50]
El proceso de purificación se basa en nanopartículas metálicas funcionalizadas recubiertas de óxido de hierro o carbono con propiedades ferromagnéticas o superparamagnéticas . [51] Los agentes aglutinantes como proteínas , [49] antibióticos , [52] o ligandos sintéticos [53] se unen covalentemente a la superficie de la partícula. Estos agentes aglutinantes son capaces de 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 se pueden separar del fluido a granel, limpiándolo así de los contaminantes. [54] [55]
El pequeño tamaño (<100 nm) y la gran superficie de los nanoimanes funcionalizados dan lugar 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 la alta carga y accesibilidad de los agentes aglutinantes, la alta selectividad hacia el compuesto objetivo, la difusión rápida, la pequeña resistencia hidrodinámica y la baja dosificación. [56]
La nanotecnología puede utilizarse como parte de la ingeniería de tejidos para ayudar a reproducir, reparar o remodelar el tejido dañado utilizando andamiajes adecuados basados en nanomateriales y factores de crecimiento. Si la ingeniería de tejidos tiene éxito, puede reemplazar tratamientos convencionales como trasplantes de órganos o implantes artificiales. Las nanopartículas como el grafeno, los nanotubos de carbono, el disulfuro de molibdeno y el disulfuro de tungsteno se están utilizando como agentes de refuerzo para fabricar nanocompuestos poliméricos biodegradables mecánicamente fuertes para aplicaciones de ingeniería de tejidos óseos. La adición de estas nanopartículas en la matriz polimérica en concentraciones bajas (~0,2 % en peso) conduce a mejoras significativas en las propiedades mecánicas de compresión y flexión de los nanocompuestos poliméricos. [57] [58] Potencialmente, estos nanocompuestos pueden usarse como un compuesto nuevo, mecánicamente fuerte y liviano como implantes óseos. [ cita requerida ]
Por ejemplo, se demostró que un soldador de carne fusiona dos trozos de carne de pollo en una sola pieza utilizando una suspensión de nanocapas recubiertas de oro activadas por un láser infrarrojo. Esto podría usarse para soldar arterias durante una cirugía. [59] Otro ejemplo es la nanonefrología , el uso de nanomedicina en el riñón.
En la actualidad, una parte importante de las vacunas contra enfermedades virales se crean utilizando nanotecnología. Las nanopartículas lipídicas sólidas son un nuevo sistema de administración para algunas vacunas contra el SARS-CoV-2 (el virus que causa la COVID-19). Para mejorar la respuesta inmunitaria a los antígenos de las vacunas dirigidas, en las últimas décadas se han utilizado ampliamente adyuvantes de tamaño nanométrico. Las nanopartículas inorgánicas de alumbre, [60] sílice y arcilla , así como las nanopartículas orgánicas basadas en polímeros y lípidos, son adyuvantes muy populares en las formulaciones de vacunas modernas. [61] Las nanopartículas de polímeros naturales como el quitosano son útiles para el desarrollo de vacunas debido a su biocompatibilidad y biodegradabilidad. [62] Las nanopartículas de ceria parecen muy prometedoras tanto para mejorar la respuesta a la vacuna como para mitigar la inflamación, ya que su adyuvancia se puede ajustar cambiando los parámetros de las nanopartículas (tamaño, cristalinidad, estado de la superficie, estequiometría, etc.). [63]
La interconexión neuroelectrónica es un objetivo visionario que se ocupa de la construcción de nanodispositivos que permitirán que las computadoras se unan y vinculen al sistema nervioso. Esta idea requiere la construcción de una estructura molecular que permita el control y la detección de impulsos nerviosos por una computadora externa. Una estrategia de recarga implica que la energía se recarga de forma continua o periódica con fuentes eléctricas externas sónicas, químicas, atadas, magnéticas o biológicas, mientras que una estrategia de no recarga implica que toda la energía se obtiene de un almacenamiento de energía interno que se detendría cuando se agotara toda la energía. Se ha desarrollado una célula de biocombustible enzimático a escala nanométrica para nanodispositivos autoalimentados que utiliza glucosa de biofluidos, como sangre humana y sandías. [64] Una limitación de esta innovación es el hecho de que es posible que se produzcan interferencias eléctricas, fugas o sobrecalentamiento por el consumo de energía. El cableado de la estructura es extremadamente difícil porque debe ubicarse con precisión en el sistema nervioso. Las estructuras que proporcionarán la interfaz también deben ser compatibles con el sistema inmunológico del cuerpo. [65]
La nanotecnología molecular es un subcampo especulativo de la nanotecnología sobre la posibilidad de diseñar ensambladores moleculares , máquinas que podrían reordenar la materia a escala molecular o atómica. [ cita requerida ] La nanomedicina haría uso de estos nanorobots , introducidos en el cuerpo, para reparar o detectar daños e infecciones. La nanotecnología molecular es altamente teórica, buscando anticipar qué inventos podría producir la nanotecnología y proponer una agenda para futuras investigaciones. Los elementos propuestos de la nanotecnología molecular, como los ensambladores moleculares y los nanorobots, están mucho más allá de las capacidades actuales. [1] [65] [66] Los avances futuros en nanomedicina podrían dar lugar a la extensión de la vida a través de 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 algunas que operan dentro de las células y utilizan máquinas moleculares hasta ahora hipotéticas , en su libro de 1986 Engines of Creation , con la primera discusión técnica de nanorobots médicos por Robert Freitas apareciendo en 1999. [1] Raymond Kurzweil , un futurista y transhumanista , afirmó en su libro The Singularity Is Near que cree que la nanorrobótica médica avanzada podría remediar completamente los efectos del envejecimiento para 2030. [67] Según Richard Feynman , fue su ex estudiante de posgrado y colaborador Albert Hibbs quien originalmente le sugirió ( c. 1959 ) la idea de un uso médico para las micromáquinas teóricas de Feynman (ver nanotecnología ). Hibbs sugirió que ciertas máquinas de reparación algún día podrían reducirse en tamaño hasta el punto de que, en teoría, sería posible (como lo expresó Feynman) " tragarse al médico ". La idea fue incorporada al ensayo de Feynman de 1959 Hay mucho espacio en el fondo . [68]