Nanomedicina

La nanomedicina es la aplicación médica de la nanotecnología. La nanomedicina abarca desde aplicaciones médicas de nanomateriales y dispositivos biológicos hasta biosensores nanoelectrónicos e incluso posibles aplicaciones futuras de nanotecnología molecular, como máquinas biológicas. Los problemas actuales de la nanomedicina pasan por comprender los aspectos relacionados con la toxicidad y el impacto ambiental de los materiales a nanoescala (materiales cuya estructura está en la escala de los nanómetros, es decir, la mil millonésima parte de un metro).

Se pueden agregar funcionalidades a los nanomateriales al conectarlos 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 aplicaciones e investigaciones biomédicas tanto in vivo como in vitro. Hasta el momento, 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 valioso conjunto de herramientas de investigación y dispositivos clínicamente útiles en un futuro próximo. La Iniciativa Nacional de Nanotecnología espera nuevas aplicaciones comerciales en la industria farmacéutica que pueden incluir sistemas avanzados de administración de fármacos, nuevas terapias e imágenes in vivo. La investigación en nanomedicina está recibiendo financiación del programa Fondo Común de los Institutos Nacionales de Salud de EE. UU., que apoya a cuatro centros de desarrollo de nanomedicina.

Las ventas de nanomedicina alcanzaron los 16.000 millones de dólares en 2015, con una inversión mínima de 3.800 millones de dólares en I+D en nanotecnología cada año. El financiamiento global para la nanotecnología emergente aumentó un 45 % por año en los últimos años, con ventas de productos que superaron el billón de dólares en 2013. A medida que la industria de la nanomedicina continúa creciendo, se espera que tenga un impacto significativo en la economía.

Entrega de medicamentos

La nanotecnología ha brindado la posibilidad de administrar medicamentos a células específicas utilizando nanopartículas. El consumo general del fármaco y los efectos secundarios pueden reducirse significativamente depositando el agente farmacéutico activo únicamente en la región mórbida y en una dosis no superior a la necesaria. La administración dirigida de medicamentos tiene por objeto reducir los efectos secundarios de los medicamentos con reducciones concomitantes en el consumo y los gastos de tratamiento. Además, la administración de fármacos dirigidos reduce el efecto secundario que posee el fármaco crudo al minimizar la exposición no deseada a las células sanas. La administración de fármacos se centra en maximizar la biodisponibilidad tanto en lugares específicos del cuerpo como durante un período de tiempo. Potencialmente, esto se puede lograr mediante la orientación molecular mediante dispositivos de nanoingeniería.Una ventaja de utilizar la nanoescala para tecnologías médicas es que los dispositivos más pequeños son menos invasivos y posiblemente se pueden implantar dentro del cuerpo, además los tiempos de reacción bioquímica son mucho más cortos. Estos dispositivos son más rápidos y más sensibles que la entrega típica de medicamentos. La eficacia de la administración de fármacos a través de la nanomedicina se basa en gran medida en: a) la encapsulación eficiente de los fármacos, b) la administración exitosa del fármaco a la región objetivo del cuerpo y c) la liberación exitosa del fármaco. Varios medicamentos de nanoentrega estaban en el mercado en 2019.

Se pueden diseñar sistemas de administración de fármacos, nanopartículas basadas en lípidos o polímeros, para mejorar la farmacocinética y la biodistribución del fármaco. Sin embargo, la farmacocinética y farmacodinámica de la nanomedicina es muy variable entre diferentes pacientes. Cuando está diseñado para evitar los mecanismos de defensa del cuerpo,Las nanopartículas tienen propiedades beneficiosas que se pueden utilizar 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 que las moléculas de los fármacos se utilicen de manera más eficiente. Las drogas se colocan en el cuerpo y solo se activan al encontrar una señal particular. Por ejemplo, un fármaco con poca solubilidad será reemplazado por un sistema de administración de fármacos en el que existan entornos hidrófilos e hidrófobos, mejorando la solubilidad.Los sistemas de administración de fármacos también pueden prevenir el daño tisular mediante la liberación regulada de fármacos; reducir las tasas de eliminación de medicamentos; o disminuir el volumen de distribución y reducir el efecto sobre el tejido no diana. Sin embargo, la biodistribución de estas nanopartículas aún es imperfecta debido a las complejas reacciones del huésped a los materiales nanométricos y microscópicos y la dificultad para dirigirse a órganos específicos del cuerpo. Sin embargo, todavía queda mucho trabajo por hacer para optimizar y comprender mejor el potencial y las limitaciones de los sistemas de nanopartículas. Si bien el avance de la investigación demuestra que las nanopartículas pueden aumentar la orientación y la distribución, los peligros de la nanotoxicidad se convierten en un próximo paso importante para comprender mejor sus usos médicos.La toxicidad de las nanopartículas varía según el tamaño, la forma y el material. Estos factores también afectan la acumulación y el daño a los órganos que puede ocurrir. Las nanopartículas están hechas para durar mucho tiempo, 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 a los órganos e inflamación en ratones. La entrega magnética 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 eludir los efectos protumorales, se deben utilizar campos electromagnéticos alternos.

Las nanopartículas están bajo investigación por su potencial para disminuir la resistencia a los antibióticos o para diversos usos antimicrobianos. Las nanopartículas también podrían usarse para eludir los mecanismos de resistencia a múltiples fármacos (MDR).

Sistemas bajo investigación

Los avances en la nanotecnología de lípidos fueron fundamentales en la ingeniería de nanodispositivos médicos y nuevos sistemas de administración de fármacos, así como en el desarrollo de aplicaciones de detección. Otro sistema para la entrega de microARN que se encuentra en investigación preliminar son las nanopartículas formadas por el autoensamblaje de dos microARN diferentes desregulados en el cáncer. 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 conchas de oro.

Aplicaciones

Algunos medicamentos basados ​​en nanotecnología que están disponibles comercialmente o en ensayos clínicos en humanos incluyen:

• Abraxane, aprobado por la Administración de Drogas y Alimentos de EE. UU. (FDA) para tratar el cáncer de mama, el cáncer de pulmón de células no pequeñas (NSCLC) y el cáncer de páncreas, es el paclitaxel unido a nanopartículas de albúmina.
• Doxil fue aprobado originalmente por la FDA para su uso en el sarcoma de Kaposi relacionado con el VIH. Ahora se usa para tratar el cáncer de ovario y el mieloma múltiple. El fármaco está encerrado en liposomas, lo que ayuda a prolongar la vida útil del fármaco que se distribuye. Los liposomas son estructuras coloidales cerradas, esféricas y autoensamblables que están compuestas de bicapas lipídicas que rodean un espacio acuoso. Los liposomas también ayudan a aumentar la funcionalidad y ayudan a disminuir el daño que la droga causa específicamente a los músculos del corazón.
• Onivyde, irinotecán encapsulado en liposomas para tratar el cáncer de páncreas metastásico, fue aprobado por la FDA en octubre de 2015.
• Rapamune es un fármaco basado en nanocristales que fue aprobado por la FDA en 2000 para prevenir el rechazo de órganos después de un trasplante. Los componentes de nanocristales permiten una mayor solubilidad y velocidad de disolución del fármaco, lo que conduce a una mejor absorción y una alta biodisponibilidad.
• Cabenuva está aprobado por la FDA como nanosuspensión inyectable de liberación prolongada de cabotegravir, más nanosuspensión inyectable de liberación prolongada de rilpivirina. Está indicado como un régimen completo para el tratamiento de la infección por VIH-1 en adultos para reemplazar el régimen antirretroviral actual en aquellos que están virológicamente suprimidos (ARN del VIH-1 inferior a 50 copias por ml) en un régimen antirretroviral estable sin antecedentes de fracaso del tratamiento y sin resistencia conocida o sospechada a cabotegravir o rilpivirina. Este es el primer régimen inyectable completo aprobado por la FDA para adultos infectados con VIH-1 que se administra una vez al mes.

Imágenes

La obtención de imágenes in vivo es otra área en la que se están desarrollando herramientas y dispositivos. Al usar agentes de contraste de nanopartículas, las imágenes como la ecografía y la resonancia magnética tienen una distribución favorable y un contraste mejorado. En las imágenes cardiovasculares, las nanopartículas tienen el potencial de ayudar a la visualización de la acumulación de sangre, la isquemia, la angiogénesis, la aterosclerosis y las áreas focales donde está presente la inflamación.

El pequeño tamaño de las nanopartículas les confiere propiedades que pueden ser muy útiles en oncología, particularmente en imagen.Los puntos cuánticos (nanopartículas con propiedades de confinamiento cuántico, como la emisión de luz de tamaño ajustable), cuando se usan junto con MRI (imágenes por resonancia magnética), pueden producir imágenes excepcionales de los sitios del tumor. 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 brillante y usarlo como guía para una extirpación 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 ya un costo menor que los tintes orgánicos actuales que se usan como medio de contraste. Sin embargo, la desventaja es que los puntos cuánticos generalmente están hechos de elementos bastante tóxicos, pero esta preocupación puede abordarse mediante el uso de dopantes fluorescentes.

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 teñir las células. Estos tintes necesitaban ser excitados por una luz de cierta 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 etiquetas luminiscentes. Estas etiquetas son puntos cuánticos unidos a proteínas que penetran las membranas celulares.Los puntos pueden ser de tamaño aleatorio, pueden estar hechos de material bioinerte y demuestran la propiedad a nanoescala de que el color depende del tamaño. Como resultado, los tamaños se seleccionan 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 se incandesce. Entonces ambos grupos se pueden iluminar con una sola fuente de luz. También han encontrado una manera de insertar nanopartículas en las partes afectadas del cuerpo para que esas partes del cuerpo brillen mostrando el crecimiento o la contracción del tumor o también problemas en los órganos.

Detección

La nanotecnología en un chip es una dimensión más de la tecnología lab-on-a-chip. Las nanopartículas magnéticas, unidas a un anticuerpo adecuado, se utilizan para marcar 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 cubierta de las nanopartículas. Las nanopartículas de oro marcadas 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 incorporando puntos cuánticos de diferentes tamaños en microesferas poliméricas. La tecnología de nanoporos para el análisis de ácidos nucleicos convierte cadenas de nucleótidos directamente en firmas electrónicas.

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. 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 que un artroscopio sea más pequeño que un mechón de cabello.

La investigación sobre el diagnóstico del cáncer basado en la nanoelectrónica podría conducir a pruebas que se pueden realizar en las 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 unos cinco minutos, con una sensibilidad 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. La mayor ventaja de los detectores de nanocables es que pueden detectar entre diez y cien condiciones médicas similares sin agregar costos al dispositivo de prueba.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 en las que podrán dirigirse a una parte específica del cuerpo que está siendo afectada por el cáncer.

Tratamiento de la sepsis

A diferencia de la diálisis, que funciona según el principio de la difusión de solutos relacionada con el tamaño y la ultrafiltración de fluidos a través de una membrana semipermeable, la purificación con nanopartículas permite la selección específica de sustancias. Además, se pueden eliminar compuestos más grandes que comúnmente no son dializables.

El proceso de purificación se basa en óxido de hierro funcionalizado o nanopartículas metálicas recubiertas de carbono con propiedades ferromagnéticas o superparamagnéticas. Los agentes de unión como proteínas, antibióticos o ligandos sintéticos se unen covalentemente a la superficie de la partícula. Estos agentes aglutinantes pueden 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.

El pequeño tamaño (< 100 nm) y la gran área superficial de los nanoimanes funcionalizados conducen a propiedades ventajosas en comparación con la hemoperfusión, que es una técnica utilizada clínicamente para la purificación de la sangre y se basa en la adsorción superficial. Estas ventajas son alta carga y accesibilidad para los agentes aglutinantes, alta selectividad hacia el compuesto objetivo, rápida difusión, pequeña resistencia hidrodinámica y baja dosificación.

Ingeniería de tejidos

La nanotecnología se puede utilizar como parte de la ingeniería de tejidos para ayudar a reproducir, reparar o remodelar el tejido dañado utilizando andamios y factores de crecimiento adecuados basados ​​en nanomateriales. La ingeniería de tejidos, si tiene éxito, puede reemplazar los tratamientos convencionales como los trasplantes de órganos o los implantes artificiales. Las nanopartículas como el grafeno, los nanotubos de carbono, el disulfuro de molibdeno y el disulfuro de tungsteno se utilizan 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 bajas concentraciones (~0,2% en peso) conduce a mejoras significativas en las propiedades mecánicas de compresión y flexión de los nanocompuestos poliméricos. Potencialmente, estos nanocompuestos se pueden usar como un compuesto nuevo, mecánicamente fuerte y liviano como implantes óseos.

Por ejemplo, se demostró que un soldador de carne fusiona dos piezas de carne de pollo en una sola pieza utilizando una suspensión de nanocápsulas recubiertas de oro activadas por un láser infrarrojo. Esto podría usarse para soldar arterias durante la cirugía. Otro ejemplo es la nanonefrología, el uso de la nanomedicina en el riñón.

Dispositivos médicos

La interfaz neuroelectrónica es un objetivo visionario relacionado con 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 detección de impulsos nerviosos por una computadora externa. Una estrategia recargable implica que la energía se recarga de forma continua o periódica con fuentes eléctricas externas sónicas, químicas, ancladas, magnéticas o biológicas, mientras que una estrategia no recargable implica que toda la energía se extrae del almacenamiento interno de energía que se detendría cuando se agotara toda la energía. Se ha desarrollado una celda de biocombustible enzimática a nanoescala para nanodispositivos autoalimentados que utiliza glucosa de biofluidos, incluida la sangre humana y las sandías.Una limitación de esta innovación es el hecho de que es posible que se produzcan interferencias eléctricas, fugas o sobrecalentamiento debido al consumo de energía. El cableado de la estructura es extremadamente difícil porque deben colocarse precisamente en el sistema nervioso. Las estructuras que proporcionarán la interfaz también deben ser compatibles con el sistema inmunológico del cuerpo.

Maquinas reparadoras de celulas

La nanotecnología molecular es un subcampo especulativo de la nanotecnología con respecto a la posibilidad de diseñar ensambladores moleculares, máquinas que podrían reordenar la materia a escala molecular o atómica. La nanomedicina haría uso de estos nanorobots, introducidos en el cuerpo, para reparar o detectar daños e infecciones. La nanotecnología molecular es altamente teórica y busca anticipar qué invenciones podría generar la nanotecnología y proponer una agenda para investigaciones futuras. Los elementos propuestos de la nanotecnología molecular, como los ensambladores moleculares y los nanorobots, están mucho más allá de las capacidades actuales.Los futuros avances 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 las que operan dentro de las células y utilizan máquinas moleculares hipotéticas, en su libro Engines of Creation de 1986, con la primera discusión técnica de nanorobots médicos de Robert Freitas. en 1999. Raymond Kurzweil, un futurista y transhumanista, declaró en su libro The Singularity Is Near que cree que la nanorobótica médica avanzada podría remediar por completo los efectos del envejecimiento para 2030.Según Richard Feynman, fue su antiguo estudiante de posgrado y colaborador Albert Hibbs quien le sugirió originalmente (c.  1959) la idea de un uso médico para las micromáquinas teóricas de Feynman (ver nanotecnología). Hibbs sugirió que ciertas máquinas de reparación podrían algún día reducirse en tamaño hasta el punto de que, en teoría, sería posible (como dijo Feynman) "tragarse al médico". La idea se incorporó al ensayo de Feynman de 1959 Hay mucho espacio en el fondo.