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Revista: Nanomedicina


Nanomedicina

La posibilidad de producir materiales en escala nanométrica, con propiedades (ópticas, eléctricas, magnéticas, térmicas, etcétera) radicalmente diferentes respecto a los materiales en escala macroscópica, ha abierto las puertas al desarrollo de nuevas aplicaciones en campos tan diversos como la medicina, la alimentación, la energía o la electrónica

  • Lucía Gutiérrez

  • Dept. Química Analítica. Instituto de Nanociencia de Aragón (INA). Universidad de Zaragoza y CIBER-BBN

  • Jesús M. de la Fuente

  • Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón (ICMA), CSIC-Universidad de Zaragoza y CIBER-BBN

La posibilidad de producir materiales en escala nanométrica, con propiedades (ópticas, eléctricas, magnéticas, térmicas, etcétera) radicalmente diferentes respecto a los materiales en escala macroscópica, ha abierto las puertas al desarrollo de nuevas aplicaciones en campos tan diversos como la medicina, la alimentación, la energía o la electrónica. En medicina, el uso de materiales de tamaño nanométrico o nanoestructurados, ha dado lugar a la nanomedicina, que se beneficia de las propiedades únicas de estos materiales para mejorar el diagnóstico y tratamiento de enfermedades. Un ejemplo de cómo el cambio en las propiedades fundamentales de estos materiales permite desarrollar nuevas aplicaciones en biomedicina es el caso de las nanopartículas magnéticas. Estos materiales, además de las propiedades específicas debidas a su pequeño tamaño, presentan la ventaja de que su momento magnético hace posible su uso para diferentes funciones, como por ejemplo: i) Modificar el movimiento de las partículas para transporte de fármacos o separación magnética; ii) Producir calor para tratamiento de cáncer por hipertermia; iii) Producir gradientes de campo magnético locales y de esta forma generar un contraste en imágenes de resonancia magnética, o iv) Detectar su presencia por medios externos dando lugar a aplicaciones como biosensores.

 

Para el uso de nanomateriales in vivo estos deben cumplir además una serie de requisitos mínimos como ser estables a pH=7 y en un entorno fisiológico o no presentar toxicidad ni respuesta inmune en el organismo. Por este motivo, normalmente las nanopartículas suelen estar recubiertas de un material que mejore su biocompatibilidad y mejore su estabilidad en condiciones fisiológicas. Este recubrimiento, a su vez, facilita la posibilidad de unir diferentes compuestos biológicos (ej. anticuerpos, fármacos, etcétera) para las necesidades específicas de cada aplicación. Como es lógico pensar, en el caso de aplicaciones in vitro, las restricciones no son tan grandes, permitiendo el uso de otro tipo de materiales o tamaños de partícula.

 

El uso de nanomateriales para aplicaciones médicas presenta muchas ventajas, como por ejemplo su capacidad de transporte de compuestos activos. Por un lado, su gran área superficial permite anclar moléculas terapéuticas a su superficie; y por otro lado, pueden utilizarse como recipientes para encapsular en su interior diferentes compuestos, mejorando así la solubilidad de compuestos poco solubles, protegiéndolos de procesos de degradación o modificando su biodistribución. Esto puede ser de gran utilidad para el uso de terapias combinadas, en las que varios compuestos pueden aplicarse de manera sincronizada, tanto temporal como espacialmente. Las nanoformulaciones además presentan la posibilidad de dirigir los compuestos, de una manera más efectiva, hacia la zona a tratar, permitiendo así reducir las dosis necesarias de principio activo y disminuyendo de esta manera los efectos secundarios de una distribución sistémica del tratamiento, como por ejemplo en terapias contra el cáncer. También se podrían tener sistemas multifuncionales en los que una misma partícula pueda servir para el diagnóstico y el tratamiento de la enfermedad.

 

Por todas estas ventajas, el número de posibles aplicaciones biomédicas de estos materiales crece a gran velocidad, en especial porque un mismo material puede tener múltiples aplicaciones. 

 

En nuestro día a día tenemos acceso a nanomateriales para aplicaciones en humanos con ejemplos tan conocidos por el gran público como liposomas en cosmética o nanopartículas de dióxido de titanio en cremas solares. Otros compuestos nanométricos se utilizan en usos clínicos desde hace años de manera habitual, como es el caso de los suplementos de hierro para el tratamiento de la anemia ferropénica (por ejemplo el Venofer®, compuesto de nanopartículas de óxidos de hierro). Sin embargo, a pesar del gran potencial de los nanomateriales, su uso terapéutico es relativamente limitado, con solo unos pocos ejemplos aprobados por las agencias reguladoras de los medicamentos. En concreto, existen formulaciones aprobadas compuestas de liposomas (Doxil®, DaunoXone®), nanopartículas de albúmina (Abraxane®) y nanopartículas magnéticas (Feridex®), entre otros. Además de estos, otros nanomateriales con gran potencial incluyen las nanopartículas poliméricas, las nanopartículas de oro o de sílice y los denominados puntos cuánticos (quantum dots).

 

 

LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN ACTUALES

Hasta hace pocos años, el diseño de los nanomateriales para nanobiomedicina ha sido relativamente simple; sin embargo, en la actualidad la investigación se está centrando en el desarrollo de materiales más complejos que permitan optimizar su uso clínico. Un ejemplo sería el diseño de materiales que liberen principios activos mediante la aplicación de un estímulo, que permitan controlar la administración del compuesto de interés en el órgano deseado y en el momento necesario. Estos materiales podrían activarse mediante estímulos internos, como por ejemplo que cambien su porosidad con el pH o se degraden con la presencia de enzimas específicas de un determinado tejido. También podrían activarse mediante la aplicación de un estímulo “externo” como un campo magnético alterno o una luz de longitud de onda concreta. Otro ejemplo de desarrollo de materiales sería la funcionalización de nanopartículas con diferentes biomoléculas. El reto aquí es la multitud de materiales y biomoléculas que se pueden unir, teniendo cada combinación un método de unión óptimo diferente. Por último, se están investigando también materiales híbridos que permitan varias funciones a la vez.

 

EL DOSIER

En este dossier se abordan diferentes aplicaciones de las nanopartículas en biomedicina, clasificadas en tres grandes grupos: mejora de técnicas de imagen, terapias usando nanopartículas y sensores. Además, se incluye un apartado sobre los aspectos asociados a la toxicidad de nanomateriales.

 

Imagen molecular con nanopartículas

En primer lugar Irene Fernádez Barahona, Jesús Ruiz Cabello y Fernando Herranz, investigadores del Centro Nacional de Investigaciones Cardiovasculares y de la Universidad Complutense de Madrid, describen brevemente las diferentes técnicas de utilizadas para la adquisición de imágenes para diagnóstico clínico y proporcionan algunos ejemplos de las nanopartículas utilizadas más habitualmente en la actualidad, como los liposomas y las nanopartículas de óxido de hierro. Esta sección incluye también un ejemplo de material híbrido que pueden utilizarse para varias técnicas de imagen, en concreto para Tomografía por Emisión de Positrones/ Tomografía Computerizada (PET/CT, de sus siglas en inglés) y Resonancia Magnética Nuclear (MRI, de sus siglas en inglés).

 

Nanotoxicidad en los tiempos de la nanotecnología

En segundo lugar, el dosier continúa con un tema de gran relevancia para conseguir trasladar el desarrollo de nanomateriales a la práctica clínica, que es la evaluación de su toxicidad. Amalia Ruiz, Marta Marín Barba y Estefanía Lozano Velasco, investigadoras de la University of East Anglia, en Reino Unido, describen los problemas del estudio de la toxicidad de estos materiales e incluyen un listado de las técnicas más utilizadas en la actualidad.

 

Nanobiosensores ópticos

En tercer lugar, Susana de Marcos, Alba Martín, Jesús Navarro, Isabel Sanz y Javier Galbán, investigadores de la Universidad de Zaragoza, describen ejemplos del uso de nanopartículas en sensores. Al ser una aplicación ex vivo, este tipo de métodos no presenta las limitaciones de que afectan a los nanomateriales descritos anteriormente que requieren un control exhaustivo de su toxicidad.

 

Nanoterapias en el campo de la Biomedicina

Para finalizar, Andrea Tabero de la Universidad Autónoma de Madrid y Xian Weng-Jiang, Alejandra Martínez de Pinillos y Pilar Acedo, de University College London, presentan una revisión sobre ejemplos de terapias utilizando nanopartículas. A pesar de que existe investigación básica para aplicaciones terapéuticas con multitud de nanomateriales, en la actualidad existen relativamente pocos que estén aprobados por las agencias reguladoras y en esta sección se describen los ejemplos de estos nanomateriales usados ya en la práctica clínica más relevantes.

 

Retos de la nanomedicina

A pesar de la complejidad inherente a este campo de investigación tan multidisciplinar, es posible describir unas líneas de evolución generales en el desarrollo de la nanobiomedicina. Por un lado, es muy importante seguir explorando el uso de nuevos materiales , tanto sintéticos o semi-sintéticos que puedan proporcionar nuevas o mejores propiedades que permitan optimizar su uso en las diferentes aplicaciones. El proceso de obtención de los materiales, sean nuevos o ya existentes debe, a su vez, explorar rutas alternativas de fabricación: desarrollando procesos cuyo escalado sea fácil y económicamente viable, y utilizando además métodos de síntesis que generen la menor cantidad de residuos. Necesitamos, además, producir nanomateriales con una organización estructural correcta; por ejemplo, prestando atención a su funcionalización mediante la unión orientada de biomoléculas en la superficie de los nanomateriales. 

 

Por otro lado, es necesario seguir investigando para desarrollar nuevas aplicaciones mediante el uso de materiales que ya existen, como por ejemplo el uso de superadhesivos para el tratamiento de defectos vasculares o la mejora de las técnicas de diagnóstico de enfermedades tropicales.

 

De cara a una aplicación clínica, es necesario entender mejor las interacciones entre los nanomateriales y los sistemas biológicos. Es necesario conocer el posible transporte de nanomateriales a través de barreras biológicas que pudiera permitir, por ejemplo, el tratamiento de enfermedades oculares o neurodegenerativas, en las que es difícil que los fármacos accedan a la zona a tratar. También, tenemos que conocer mejor los riesgos para la salud asociados a los nanomateriales. Uno de los problemas que encontramos en la actualidad es la falta de estandarización de los protocolos de estudio de la toxicidad de nanomateriales durante su evaluación preclínica, dando como resultado una gran variabilidad de resultados en estudios toxicológicos. 

 

Todos estos futuros desarrollos tendrán que tener lugar siempre dentro del marco de la seguridad del uso de estos materiales tanto durante su síntesis, su aplicación y su posterior reciclado o deshecho. Es necesario minimizar el impacto adverso de los nanomateriales en el medio ambiente. Por tanto, uno de los futuros retos es la generación de materiales completamente biodegradables para aplicaciones biomédicas que pudieran ser excretados o metabolizados por el organismo.

 

Para finalizar, es fundamental la transferencia de los conocimientos adquiridos en el desarrollo de nuevos nanomateriales a la industria para facilitar su producción y alcanzar así más fácilmente su uso clínico.

 

PARA LEER MÁS

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