Nanobiomateriales: la Nanotecnología al servicio de la Salud

Por Rafael Daza García , Licenciado en Ciencias Físicas (Departamento de Ciencia de Materiales, Universidad Politécnica de Madrid)

La nanotecnología es el estudio, diseño, creación, síntesis, manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales mediante el control de la materia a escala nanométrica (aquella en la que la unidad de longitud de referencia es el nanómetro, 1 nm equivale a 10-9 m, esto es, la millonésima parte del milímetro), y la explotación de fenómenos y propiedades de la propia materia a dicha escala.

A pesar de que la idea conceptual de nanotecnología surgió hace más de medio siglo (Richard P. Feynman en su ponencia There’s plenty of room at the bottom ante la Sociedad Americana de Física), es en los últimos años cuando ha experimentado un crecimiento vertiginoso que ha transformado el concepto en una realidad para la que constantemente se hallan nuevas aplicaciones y mercados. Como no podía ser de otra manera, ciencias tan relevantes para el ser humano como la biología y la medicina no han quedado al margen del proceso expansivo de la nanotecnología, de manera que, en la actualidad, son numerosas las aplicaciones nano que se estudian en varios de los mejores laboratorios bio del mundo.

Cuando las dimensiones de la materia se reducen a la escala nanométrica, esto es, abandonamos el mundo macroscópico cotidiano, las leyes de la física tal y como las conocemos en este dejan de ser válidas. Abandonamos la física de Newton o Einstein y nos adentramos en el universo de la mecánica cuántica y las propiedades “mágicas” que esta impone. Veamos un ejemplo: el oro es un material diamagnético inerte ante la presencia de un campo magnético; sin embargo, cuando tomamos una fracción nanométrica de ese mismo elemento, el nanomaterial resultante presenta actividad magnética (y esto “únicamente” por el hecho de haber reducido sus dimensiones). Junto con la aparición de estas nuevas propiedades, los nanomateriales presentan otra característica que les hace idóneos para su uso en el ámbito biosanitario. Los nanomateriales son materiales con tamaños en el rango de 1 a 100 nm. Dado que la mayoría de macromoléculas y agentes biológicamente activos, tales como virus, complejos proteínicos o membranas, son nanoestructuras naturales, se asume que los materiales nanoestructurados serán capaces de establecer una mejor interacción con los principales ladrillos de la vida.

En la actualidad son muchas y diferentes las aplicaciones que los nanomateriales tienen en el ámbito de la salud, tanto a nivel de diagnosis como de terapéutica. Entre las que son ya una realidad, podemos destacar:

  • Nanosensores que circulan dentro del cuerpo para monitorizar los niveles de glucosa, colesterol u hormonas.
  • Nanopartículas inteligentes que buscan una localización específica dentro del cuerpo humano para suministrar con precisión una dosis programada de medicamento en dicha localización.
  • Nanopartículas que destruyen microbios resistentes a los antibióticos.
  • Armazones tridimensionales (scaffolds) nanoestructurados para crecimiento de nuevo tejido y órganos humanos.
  • Nanopartículas para destrucción de células tumorales vía calentamiento (Hipertermia).
  • Nanomateriales para la separación y purificación de moléculas biológicas y células.
  • Nanomateriales para la mejora del contraste en pruebas de Resonancia Magnética Nuclear.

Si bien todas las líneas anteriores están en pleno auge, las mayores esperanzas están depositadas en las vinculadas al suministro local de medicamentos y a la hipertermia. Los materiales nanoestructurados se han convertido en un mecanismo para el suministro local de macromoléculas en tejidos u órganos de interés. Los nuevos desarrollos en ciencia de materiales y en nanoingeniería están permitiendo la producción de nanocomposites (materiales compuestos de dimensiones nano) biocompatibles que albergan, bien en su interior, bien sobre su superficie, agentes terapéuticos. Para esta aplicación suelen emplearse nanopartículas de origen polimérico cuya superficie es funcionalizada con diversas sustancias: se emplea una capa de origen biológico que asegura la biocompatibilidad de la nanopartícula (por ejemplo, las capas biológicas pueden incluir anticuerpos, biopolímeros como el colágeno, …), si la nanopartícula tiene que unirse a una estructura para realizar su función, se pueden disponer lugares de anclaje de alta especificidad; además, se pueden emplear agentes de contraste que permitan localizar la ubicación de la nanopartícula una vez esta ha sido introducida en el organismo. La figura muestra el esquema de una nanopartícula con algunas de las funcionalizaciones posibles. Actualmente, existen numerosas técnicas para sintetizar diferentes sets de nanopartículas según el tipo de agente terapéutico a usar, y el órgano objeto y el mecanismo de liberación de aquel que se desee emplear.

La quimioterapia es una de las terapias más extendidas en la lucha contra determinados tipos de cánceres. Básicamente, consiste en el empleo de una combinación de medicamentos que destruye las células tumorales o inhibe su proliferación. Sin embargo, este tipo de terapia presenta unos importantes efectos secundarios debidos a que los medicamentos no reconocen el punto exacto en el que deben actuar, esto es, la quimioterapia afecta a todas las células del cuerpo, no sólo a las tumorales. Estas células presentan una serie de receptores específicos en su membrana. El empleo de nanopartículas en cuya superficie se han depositado los ligandos complementarios a aquellos receptores (equivalente a un sistema llave-cerradura) permite la unión de estas a las células tumorales de manera que el suministro del medicamento o agente terapéutico se puede realizar sobre el lugar exacto en el que es requerido, esto es, la célula tumoral.

Esquema de una nanopartícula. Adaptada de (2)

Las células son entidades muy sensibles a las condiciones físico-químicas del ambiente en el que se encuentran de manera que agentes como la temperatura, el pH, etc. pueden modificar drásticamente el desarrollo de sus funciones e incluso producirles la muerte. Esta es la idea que subyace en el empleo de la hipertermia como terapia en la lucha contra el cáncer. En este caso se suelen emplear nanopartículas magnéticas para producir calor bajo un campo magnético alterno vía las pérdidas irreversibles durante el proceso de imanación.

No debe escapar al lector el hecho de que aún hay muchos problemas por resolver e interrogantes que desvelar antes de lograr una implantación completa de estas nuevas terapias en el ámbito sanitario. Cuestiones como la eliminación de las nanopartículas o el deterioro de las propiedades mecánicas de los scaffolds (por ejemplo, en la regeneración del tejido óseo) están por resolver. En este sentido, es fundamental que muchas disciplinas como la física, la química, la microbiología, la biología celular, la ciencia de materiales o la ingeniería, entre otras, trabajen de la mano y contribuyan al diseño, síntesis y fabricación de dispositivos funcionales y biocompatibles a escala nano cada vez mejores.

Referencias

(1) Nanotecnología y biomedicina. A. Ortiz. 2009.
(2) Biodegradable nanoparticles are excellent vehicle for site directed in-vivo delivery of drugs and vaccines. A. Mahapatro. 2011.

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