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Desarrollo
La nanotecnología se define como el estudio de las ciencias y técnicas aplicadas a nivel de nanoescala, es decir, medidas extremadamente pequeñas que permiten trabajar y manipular las estructuras moleculares y sus átomos, lo que comprende: estudio, creación, diseño, síntesis, manipulación y aplicación de los materiales, aparatos y sistemas funcionales, a través del control de las estructuras moleculares a nanoescala ( 0.000000001 m).
La materia, al ser manipulada a escala tan minúscula, produce fenómenos y propiedades totalmente nuevos, lo que permite crear tecnologías para producir materiales, aparatos y sistemas novedosos con propiedades únicas.
Para darnos una idea del tamaño, bastará decir que un eritrocito tiene un rango de medida dentro del mundo micro (10 -6m) de aproximadamente 5000 nm. Un virus mide aproximadamente 50 nm y la anchura del DNA (ácido desoxirribonucleico) es de 2 nm. El rango de trabajo a nanoescala está entre los 100 y 1 nanómetros.
La nanotecnología es una disciplina compleja y para su desarrollo se requiere de la interacción de profesionales de la química, física, medicina, informática, etc. que deben trabajar estratégicamente. En el campo de la medicina, ha revolucionado el paradigma tradicional del desarrollo de nuevos medicamentos. La Fundación Europea de la Ciencia la define como: “La ciencia y tecnología del diagnóstico, tratamiento y prevención de la enfermedad y heridas traumáticas, dolor, y para la preservación y mejora de la salud humana, usando herramientas moleculares y conocimiento molecular del cuerpo humano”.
La nanomedicina se divide en 5 líneas que pueden sobreponerse entre sí:
Técnicas analíticas y herramientas de diagnóstico ex vivo fabricadas usando nanociencia. Nanoimagen (de eventos subcelulares de enfermedades).
Generación de nanomateriales y nanodispositivos.
Nanomedicinas administradas para tratar enfermedades, incluyendo terapia ...biológicamente activa y sistemas de suministro de drogas.
Transformación desde el laboratorio a la fase clínica, incluyendo escalamiento industrial, ...validación, regulación y evaluación de la seguridad y eficacia.
En la década pasada, según Ruth Duncan, se realizaron progresos en el desarrollo de terapias híbridas y en sistemas de administración de drogas. Desde 1990, las autoridades regulatorias han aprobado productos para uso clínico. La mayoría para terapias de cáncer, por ejemplo: liposomas (DaunoXome ®), liposomas con recubrimiento polimérico (Doxil ®/Caelyx ®), drogas poliméricas (Copaxone ®), anticuerpos (Herceptin ®, Avastin™) y conjugados de anticuerpos (Mylotarg ®), conjugados polímero-proteína (Oncaspar ®, Neulasta ®) y últimamente una nanopartícula conteniendo Paclitaxel (Abraxane™).
Estos constructos a nivel nano y multicomponentes pueden ser vistos como las primeras nanomedicinas con beneficios clínicos. Un número importante de tecnologías relacionadas está también en desarrollo e incluyen: vectores naturales (anticuerpos, proteínas transportadoras, proteínas recombinantes, vectores virales para terapia genética), vectores pseudos-sintéticos (híbridos polímero-anticuerpo), conjugados polímero-proteína y vectores sintéticos (conjugados polímeros-drogas, micelas poliméricas, nanopartículas basadas en polímeros). Además se están realizando muchos cambios en el escalamiento industrial, caracterización de productos, seguridad y eficacia.
¿Cómo se diseña un nuevo medicamento y cuál es su relación con el campo de la nanomedicina? El concepto de biodisponibilidad se refiere a la eficiencia de una sustancia administrada en algún tratamiento y su capacidad para llegar a las células que están produciendo el daño o enfermedad. El gran inconveniente de los productos farmacéuticos es su pobre biodisponibilidad, aunado a que un exceso de medicamento puede provocar en un individuo daños severos e incluso la muerte . Otro problema es la degradación metabólica que sufre el medicamento dentro del cuerpo y por último, el diseño debe tener un peso molecular y estructura tal que no bloquee los capilares del organismo.
El tiempo promedio para desarrollar una nueva sustancia y llevarla al mercado es de 12 años, ya que debe pasar por etapas de desarrollo muy rigurosas:
Figura 1. Proceso de desarrollo de un nuevo medicamento. Fuente: Allinger Norman L. et al (1973).
Química Orgánica. Worth Publishers.
El objetivo de la nanomedicina es mejorar la biodisponibilidad. Las etapas definidas para lo anterior son las siguientes:
- Desarrollar un mecanismo de administración que empaque al principio activo.
- Insertarlo en el torrente sanguíneo.
- Liberar la droga en el punto de interés específico (por ejemplo, una parte del cuerpo infectada o una célula cancerígena) para un máximo efecto.
El desarrollo de los empaques para medicamentos está teniendo mucha importancia a nivel global. Existen diferentes técnicas de preparación de estos empaques como son los liposomas y los polímeros sintéticos coloidales. Los dos tienen el común denominador de trabajar con micelas que almacenan en su interior la droga.
¿Qué es una micela? Una micela es un agrupamiento de moléculas especiales llamadas anfifílicas, esto es, son moléculas que tienen un grupo hidrofóbico (repelente al agua) y un grupo hidrofílico (que tiene afinidad con el agua). El ejemplo más común es el detergente. Estas moléculas encapsulan la suciedad orgánica (grasa) y la transportan en el agua. Estos detergentes también se llaman tensoactivos que sirven para estabilizar, a través de la formación de las micelas, una emulsión.
Los polímeros sintéticos coloidales, pueden ser preparados bajo la técnica de polimerización en emulsión, la cual tiene la característica de producir polímeros en la forma de látex, esto es, una dispersión a nivel nanométrico estabilizada por micelas en el agua. Un ejemplo es la pintura vinílica.
Un sistema de polimerización en emulsión a nivel microscópico puede verse de la siguiente manera:
Figura 2. Vista a nivel microscópico de un sistema de polimerización en emulsión. Fuente: Lizama S. Beatriz E. (2001). Síntesis y estudio fisicoquímico de nanoestructuras esferoidales poliméricas. Tesis Doctoral .Universidad Autónoma de Querétaro. México.
Los polímeros así formados tienen el siguiente aspecto:
Figura 3. Nanopartículas de poliestireno vistas bajo la técnica de microscopía electrónica de barrido. Dpz = 180 nm. I= 1.08. Fuente: Lizama S. Beatriz E. (2001). Síntesis y estudio fisicoquímico de nanoestructuras esferoidales poliméricas. Tesis Doctoral .Universidad Autónoma de Querétaro. México.
También puede variarse la técnica de polimerización recubriendo un primer polímero con otro para formar morfologías diferentes:
Figura 4. Nanopartículas PABu/PS vistas bajo el microscopio electrónico de barrido. DPz=200 nm.
Fuente: Lizama S. Beatriz E. (2001). Síntesis y Estudio Fisicoquímico de Nanoestructuras
Esferoidales Poliméricas. Tesis Doctoral .Universidad Autónoma de Querétaro. México.
Dentro de los polímeros se colocan medicamentos que son administradas directamente al torrente sanguíneo. Los resultados clínicos evaluaron un conjugado de ácido poliglutámico-pacitaxel (CT-2103, XYOTAX TM) para efecto anticancerígeno. Se observó actividad en células hepáticas pequeñas y de ovario. Cuando se usan polímeros sintéticos o naturales, la toxicidad y/o la inmunogenicidad después de administración parenteral debe ser monitoreada cuidadosamente, particularmente si el polímero no es biodegradable. Hay una preocupación acerca de las nanopartículas poliméricas coloidales debido a su alta relación superficie-volumen, lo que las puede hacer peligrosas; sin embargo, cualquier toxicidad dependerá de la ruta y frecuencia de administración y la química usada para preparar la nanopartícula.
La segunda forma de preparar empaques para medicamentos es la preparación de vesículas con pared lipídica llamadas liposomas (células usadas para transportar drogas o material genético hacia adentro de la célula). Para el transporte, los liposomas son preparados afuera del cuerpo, encapsulando moléculas de medicamento en ellos, entonces se vierten al torrente sanguíneo, donde van hacia las células objetivo de la enfermedad y liberan la droga. Se pueden variar los tipos de fosfolípidos para determinar el tipo de interacción entre los liposomas y la célula.
Hay tres métodos principales que usan los liposomas para liberar el medicamento en una célula:
Los liposomas pueden adherirse a la superficie de la pared celular, difundiendo ...lentamente las drogas a la célula.
Endocitosis. Es el paso de la vesícula dentro de la célula, después de la cual la vesícula se ...rompe y la droga es liberada.
El liposoma se funde con la pared celular y libera su contenido a la célula.
Como el cuerpo puede identificar rápidamente los liposomas como intrusos, la investigación se está enfocando al recubrimiento de los liposomas con polímeros neutros y largos, deforma que estas barreras interactúan débilmente con los anticuerpos permitiendo que las partículas permanezcan en largos periodos de tiempo, algo muy importante para el manejo de liberación controlada.
Los polímeros coloidales también pueden ser vistos como liposomas.
Figura 4. Dos tipos diferentes de sistemas de administración de medicamentos nanométricos.
a) Los sistemas liposomales son vesículas que pueden tener grupos de polietilenglicol (PEG) alrededor
o moléculas receptoras. El medicamento se encuentra entre la bicapa de fosfolípidos. b) Nanopartículas
sólidas biodegradables que son obtenidas por polimerización en emulsión con la droga encapsulada en el
interior y grupos PEG unidos para la estabilización anfifílica. Fuente: Duncan Ruth. Agosto 2005.
Nanomedicine gets clinical. Nanotoday. Elsevier Scienc, pp. 16-18.
Los materiales usados para preparar los sistemas nanoparticulados vesiculares y biodegradables son los siguientes:
Tabla 1. Materiales utilizados para preparar sistemas nanoparticulados.
Tipo de sistema |
Material/Nombre |
Polímero sólido biodegradable |
Gelatina |
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Chitosán |
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Albúmina |
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Poliésteres PLA, PGA, PLGA |
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PEG-copolímeros Poliésteres |
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Poli (cianoacrilatos de alquilo) |
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Poli anhídridos |
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Policaprolactona |
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Lípido sólido |
Sistemas vesiculares |
Liposomas |
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Niosomas |
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Micelas de polímero |
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Un tercer tipo de empaque de drogas es mediante el uso de los fullerenos (bucky ball). Un fullereno es una estructura alotrópica del carbón que forma estructuras esféricas en forma de balón de fútbol. Las estructuras de carbón con 60 átomos, pueden formar vesículas anfifílicas de diferentes tamaños, dependiendo del pH. Es bien conocido que el pH de un sitio con infección es diferente al del resto del organismo, por lo que se puede transportar medicamento a través de este mecanismo.
Figura 5. Fullereno (C 60) anfifílico. Fuente: Fahmy Tarek M., Fong Peter M., Goyal Amit,
Saltzman W. Mark. (Agosto 2005). Targeted for drug delivery. Nanotoday.
Elsevier Science, pp. 18-19.
La aplicación más relevante hasta este momento ha sido para el tratamiento del cáncer. Para explicar cómo actúan los empaques nanométricos es necesario conocer la formación del cáncer. El cuerpo está constantemente reemplazando viejas células con nuevas: las viejas, son deliberadamente “eliminadas” en un proceso llamado “apoptosis”. Algunas veces, sin embargo, pueden existir mutaciones que alteran este mecanismo y así, se forman nuevas células cuando las viejas no han sido eliminadas. Las células de cáncer se forman debido a la apoptosis y forman una masa de tejido llamado tumor.
El Instituto Nacional de Cáncer de Estados Unidos (NCI) identificó cuatro áreas del cuerpo en donde se localiza comúnmente el cáncer: glándula prostática, senos, colon e hígado. La compañía Nanospectra Biosciences, Inc., es la que tiene el mejor conocimiento hasta ahora para erradicar el cáncer: Se coloca una cama de vidrio muy pequeño y se recubre con oro.
El oro parece actuar bien pues se ha detectado que es biocompatible con el cuerpo humano, además puede absorber luz de forma controlada, dependiendo del grosor de la capa aplicada. Su absorción permite monitorear la nanopartícula a través del cuerpo humano usando infrarrojo (650-1050 nm). La nanoesfera puede ser usada para “cocinar” la célula cancerígena (absorción) y pueden ser usadas para monitoreo en el cuerpo humano.
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Conclusiones
A través del tiempo, los investigadores han desarrollado nuevos agentes anticancerígenos y nuevas formulaciones para administrar los agentes actuales y los nuevos. La nanotecnología está empezando a cambiar la escala y métodos de administración de medicamentos.
Más del 40% de las sustancias activas identificadas a través de programas de monitoreo combinatorio han mostrado una pobre solubilidad en agua, el problema de la biodisponibilidad ha sido resuelto formando una sal. Debido a que es más rápido y económico rediseñar una molécula que instrumentar una nueva tecnología que aumente la biodisponibilidad, esta línea de investigación vanguardista tendrá importante impacto en el futuro y es susceptible de ser trabajada en nuestro país.
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Bibliografía
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Duncan, Ruth. (Agosto 2005).Nanomedicine gets clinical. Nanotoday. Elsevier Science..Pp. 16-18.
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Idem. Pp. 18-19.
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Lizama Soberanis, Beatriz Eugenia. ( 2001). “Síntesis y Estudio Fisicoquímico de Nanoestructuras Esferoi dales Poliméricas” Tesis doctoral. Universidad Autónoma de Querétaro- UNAM.
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Acerca de la autora
Beatriz Eugenia Lizama Soberanis
Licenciada en Química con maestría en Administración, tiene especialidad en Mercadotecnia y doctorado en Ingeniería con especialidad en Ciencia de los Materiales; es Coordinadora del área de Empresas del Centro de Conocimiento Emprendedor, UVM-Toluca y representante institucional de investigación del mismo campus, así como directora del Centro de Desarrollo Tecnológico Empresarial, campus Toluca.
