La Nanomedicina

Menos es mas en medicina
Formas sofisticadas de nanotecnologia tendrán reales aplicaciones en la investigación biomédica, el
diagnostico de enfermedades y su posible tratamiento.
El tema de la nanomedicina he sido explorado en el cine como una forma de ciencia−ficción pero en los
últimos 35 años se han hecho grandes avances en la fabricación de complejos aparatos cada vez más pequeños
cono lo que algunas personas han pensado en usar estos aparatos como una forma de intervención medica e
incluso es posible que algún día todos tengamos nanorobots circulando por nuestro flujo sanguíneo. Esto
también he causado cierta preocupación en algunos círculos de científicos que se formulan la siguiente
pregunta: será posible que los nanorobots auto replicantes se salgan de control y destruyan el mundo
biológico? Pero este pensamiento pertenece mas a un movimiento literario de ciencia−ficción que a un
pensamiento científico, pues la nanomedicina puede entregar una real ayuda al mejorar las herramientas para
la investigación biomédica, por ejemplo entregando nuevos tipos de experimentos para descubrir nuevas
drogas o para revelar cuales genes están activos en una célula. Bajo ciertas condiciones los aparatos a
nanoescala podrían servir incluso como dispensadores de fármacos dentro de nuestro cuerpo.
Pero realmente como puedes la nanotecnologia realizar todo esto? La respuesta a esta pregunta reside en solo
una definición: toda la biología es posiblemente una forma de nanotecnologia, después de tod los seres vivos
estamos compuestos de millones de pequeñas células y estas a su vez están construidas por bloques mas
pequeños como lo son los lípidos, proteinas, carbohidratos, etc. Pero por convención el termino
nanotecnologia es aplicado solamente a creaciones hechas artificialmente, desde semiconductores hasta vidrio
pasando por el metal y plástico. Algunas estructuras inorgánicas manométricas ya han sido comercializadas
como agentes de contraste.
Atracción magnética
Muchas veces la nanotecnologia se basa en hechos que ocurren en el contexto biológico como por ejemplo el
magneto tactismo de las bacterias que es entregado por cristales manométricos que conservan su único
dominio magnético y así se mantienen estables para ayudarlas a quedarse en el nivel adecuado (generalmente
en el fondo lodoso donde viven solo pueden estar a cierta profundidad, sobre ese nivel el oxigeno es
demasiado abundante para su existencia y bajo este muy escaso) Esta misma técnica es utilizada por los
fabricantes de discos duros de almacenaje los que incluyen nanocristales magnéticos que tienen el tamaño
apropiado para ser estables y fuertes al mismo tiempo.
Cristales magnéticos artificiales de similares dimensiones podrían pronto servir a las investigaciones
biomédicas de una manera novedosa. Grupos de estudio en Alemania y California están explorando el uso de
nanoparticulas magnéticas para detectar entidades biológicas particulares como microorganismos que causan
enfermedades, para esto se usan anticuerpos marcados con nanoparticulas magnéticas los que se unirán a
blancos específicos los que serán usados para el estudio de ciertas muestras, a estas se le hará un seguimiento
con material capaz de detectar el débil campo magnético que emana de las pruebas al serle aplicado un fuerte
campo magnético. Los anticuerpos marcados no unidos a su blanco no emitirán señal magnética, por el
contrario los que se hayan unido a su blanco serán detectados por el instrumental. Esta técnica ha demostrado
ser mejor que las técnicas tradicionales de marcado con etiquetas fluorescentes. Pero a pesar de estas ventajas
puede que no sea probable que este nuevo método desplace al tan esparcido método tradicional (generalmente
una molécula orgánica brilla al ser energizada con una luz de color en particular. Esta técnica utilizando
colores es muy útil sobre todo cuando se necesita seguir la pista de mas de una molécula en una muestra.
El mundo electrónico moderno esta también lleno de materiales que emiten luz por ejemplo, todos los
Cdplayer leen el disco con una luz que proviene de un láser en estado sólido, el cual esta hecho de un
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semiconductor inorgánico. Imaginémonos esculpiendo con una pequeña parte de ese material casi
desvanecido, una pala del porte de una molécula de proteína, el resultado es un nanocristal semiconductor o
mejor dicho en el idioma del negocio un punto cuántico. Al igual que los nanocristales estos puntos tienen
mucho que ofrecerle a los investigadores biomédicos.
Como su nombre lo sugiere, los puntos cuánticos poseen sus propiedades (especiales y extrañas) regidas por
la mecánica cuantica, son las mismas reglas que restringen a los electrones en los átomos a ocupar ciertos
niveles de energía. Una molécula orgánica teñida absorbe solo fotones de luz con la energía correcta para
levantar sus electrones desde su estado quiescent a uno de sus niveles mas altos disponibles para ellos. Es
decir, la incidencia de la luz debe tener la exacta longitud de onda o color para realizar el trabajo. La molécula
subsecuentemente emitirá un fotón cuando el electrón caiga hacia un nivel de energía mas bajo. Este
fenómeno es bastante diferente del que sucede en la mayoría de los semiconductores quienes permiten a los
electrones ocupar dos anchos de banda de energía. Aquellos materiales pueden absorber protones en un rango
mas ancho de colores (todos aquellos que tienen la suficiente energía como para unir el vacío entre las dos
bandas) pero ellos emiten luz solo en una especifica longitud de onda correspondiente a la banda de energía de
la brecha. Los puntos cuánticos están en un caso intermedio. Como la mayoría de los semiconductores. Ellos
absorben fotones de todas las energías sobre el umbral de la banda de la brecha, pero la longitud de onda de la
luz que emite el punto cuántico (su color) depende fuertemente del tamaño del punto. Por lo tanto, un solo
tipo de material semiconductor puede rendir para una familia completa de etiquetas coloreadas claramente.
Fueron físicos los que primero estudiaron los puntos cuánticos en los 70 pensando en que algún día ellos
podrían fabricar nuevos aparatos electrónicos u ópticos. Muy pocos de los investigadores pioneros tuvieron la
idea de que esos objetos podrían ayudar al diagnostico de enfermedades o al descubrimiento de nuevas drogas
y ninguno tuvo por ocurrencia pensar que el primer uso que se le daría a los puntos cuánticos seria en la
medicina y en la biología. Pero hacer que estos funcionaran adecuadamente dentro de un sistema viviente
tomo muchos años. Sin embargo esto ahora es una realidad.
La coalición del arcoiris
Los nanocristales semiconductores tienen muchas mas ventajas que las moléculas convencionales para teñir.
Los pequeños cristales inorgánicos pueden resistir significativamente muchos mas ciclos de excitación y
emisión de luz que las típicas moléculas orgánicas que pronto eran descompuestas. Esta estabilidad permite a
los investigadores seguir los pasos de las células y tejidos por intervalos de tiempo mas prolongado que los
ahora alcanzados. Peor el mayor beneficio de estos nanocristales semiconductores es mucho menos
ingenioso... vienen en mas colores.
Los sistemas biológicos son mas complejos y frecuentemente son varios los componentes que deben ser
observados simultáneamente. Este seguimiento resulta difícil de alcanzar pues cada tinte orgánico debe ser
excitado con una longitud diferente. Pero los puntos cuánticos hacen posible marcar una variedad mas amplia
de moléculas orgánicas con solo cambiar el tamaño (y por lo tanto el color) de los cristales y como los
cristales pueden ser energizados con solo una fuente de luz todos pueden ser monitoreados simultáneamente.
Este enfoque esta siendo perseguido activamente pero los puntos cuánticos ofrecen aun más posibilidades.
Imagine una pequeña sarta de cuentas de látex llena con una combinación de puntos cuánticos, la sarta de
cuentas podría por ejemplo 5 tamaños (por lo tanto, colores) distintos en una variedad de concentración.
Luego de que la sarta de cuentas es iluminada despedirá luz la que al pasar por un prisma producirá 5
espectros lineales distintos con intensidades ordenados (se podría asociar con un código de barras espectral)
tales sartas de cuentas permiten un enorme numero de etiquetas distintas (billones, potencialmente) cada uno
pudiendo ser unido a moléculas de DNA compuestas por diferentes secuencias de bloques energéticos de
construcción.
Con este tipo de sartas de cuentas, los técnicos pueden comparar fácilmente el material genético de una
muestra en contraste con una biblioteca de secuencias de DNA conocidas. Por ejemplo si un investigador
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desea saber que genes están activos en ciertas células o tejidos, el simplemente tendría que comparar la
muestra con la biblioteca que contiene todas las sartas de cuentas y leer el código de barras espectral del DNA
que se une a las secuencias de la muestra. Porque la unión solo se lleva a cabo cuando las secuencias son
complementarias, los resultados revelaran inmediatamente la naturaleza del material genético de la muestra.
Los puntos cuanticos semiconductores deberían, pronto, servir a los investigadores biomédicos en este
sentido, pero no son las únicas nanoestructuras útiles para el reconocimiento óptico de la composición
genética de especimenes biológicos.
Existe otro trabajo en el cual es usado un ingenioso método para probar la presencia de una secuencia
especifica en una solución. Su plan es usar partículas de oro manométrico 13 unidas al DNA.
Aquí el truco es usar 2 sets de partículas de oro, el primero lleva DNA que complementa para la mitad de la
secuencia blanco y el segundo set lleva la otra mitad. El DNA con la secuencia completa de blancos leíble se
une a los dos tipos de partículas, uniendo a su vez a los sets . Debido a que cada partícula tiene múltiples
tentáculos de DNA, trozos del material genético que llevan la secuencia blanco pueden pegar muchas
partículas entre sí y luego ese agregado de partículas doradas (sus propiedades ópticas cambian notoriamente)
cambian la solución de rojo a azul. Debido a lo fácil que es observar este cambio sin ningún instrumental
especial, este sistema podría ser particularmente útil para el test de DNA realizable en casa.
Ninguna discusión en bionanotecnologia estaria completa sin al menos mencionar brevemente a uno de los
mas candentes instrumentos de la ciencia contemporánea, el microscopio de fuerza atomica. el año pasado
mostraron que una fila de armas a microescala o puente voladizo (cantilevers) muy Tal aparato funciona sobre
una muestra de la misma forma en que un fonógrafo lee las marcas de un disco, pasando una afilada punta
sobre la superficie del disco para detectar las deflexiones resultantes. La punta del microscopio de fuerza
atomica (MFA) es mas fina que a aguja del fonógrafo por lo que puede sentir particulas mucho mas pequeñas.
Lamentablemente, la fabricación de esta punta (tan fina y fuerte a la vez) ha resultado bastante difícil. La
solucion aparecio al añadirle a la punta de la aguja un nanotubo de carbon, haciendo posible probarlo en
distintas muestras de unos pocos nanometros de tamaño. Unos años mas tarde fue aplicado para probarlo en
biomoleculas entregando una muy alta resolución, lo que significa poder explorar complejas moléculas
biológicas y sus interacciones en el nivel mas basico. Pero el MFA podria ser aplicado muy pronto a mas que
solo hacer medidas científicas. Estudios realizados parcidos a los empleados en el MFA, podrían ser usados
para investigar la presencia de ciertas secuencias geneticas en una muestra. Ellos le unen pequeñas tiras de
DNA a las puntas de los cantilevers. Cuando el material genetico que lleva la secuencia complementaria se
une a la tira agregada, induce una superficie de tensión, la cual curva a los cantilevers sutilmente (solo unos
pocos nanometros) pero lo suficiente para ser detectada. El fabricar aparatos con muchos cantilevers y capas
cada una con diferentes tipos de DNA, investigadores deberían ser capaces de buscar rapidamente en una
muestra biológica especificas secuencias geneticas ( como ahora se hace en forma rutinaria con genes chip) si
la necesidad de marcadores. Este ejemplo, como los otro descritos antes, ilustran que las conexiones entre la
nanotecnologia y la practica de la medicina son a menudo indirectas y que en muchos casos los nuevos
trabajos solo prometen mejorar las herramientas de investigación o diagnostico. Pero en algunos casos
nanoobjetos estan siendo desarrollados para ser usados en forma util como terapia.
Un uso podria ser , por ejemplo, encapsular medicamentos en paquetes de escala nanometrica que controlen la
entrega de medicinas en una manera sofisticada. Considere el tipo de molécula artificial llamada dendrimer.
Esta nanomolecula empieza a ramificarse sucesivamente desde adentro hacia fuera. Su forma se asemeja a la
de muchas ramas de un arbol cada una en una dirección distinta. Dendrimer son moléculas globulares que
tienen el tamaño de una proteina tipica, pero no se disocia tan fácilmente como las proteinas sino que se
mantiene junta por fuertes uniones quimicas . Como el frondoso follaje de un arbol maduro, los dendrimer
tienen agujeros. Esto significa que ellos tienen una enorme cantidad de superficie de area interna.
Interesantemente, ellos pueden ser adaptados para que tenegan un distinto rango de tamaño de cavidades
(especios que perfectamente pueden ocupar agentes terapéuticos) Dendrimers pueden tambien ser
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manipulados para que transporten DNA hacia el interior de las celulas en la terapia genica, y estos pueden
trabajar en una forma mas segura que los otros metodos utilizados: virus genéticamente modificados. Otro
tipo de nanoestructuras que poseen alta area de superficie y tambien pueden servir para repartir drogas en el
lugar donde son necesitadas, pero los dendrimers ofrecen el mayor grado de control y flexibilidad. Podria ser
posible el diseñar dendrimers que espontáneamente puedan hincharse y liberar su contenido solo con una
cantidad de moléculas presentes. Esta habilidad permitiria a un dendrimer liberar su cargamento de drogas en
el tejido u organo que lo necesite.
Otros repartidores de drogas en el horizonte incluyen capsulas huecas de polimeros que se hinchan o
comprimen para descargar drogas que tambien son llamadas nanoconchas. Estas son cuentas extremadamente
pequeñas recubiertas con oro. Estas pueden ser fabricadas para que absorban casi todas las longitudes de onda,
pero son las nanoconchas que absorben las longitudes cercanas a las infrarrojas pues estas longitudes penetran
fácilmente varios centímetros de tejido.
Las nanoconchas injectadas en el cuerpo pueden ser calentadas desde el exterior usando una fuerte fuente
infrarroja, por lo que pueden ser acondicionadas para liberar las drogas en un tiempo especifico añadiéndoles
una capsula hecha de polimeros sensibles al calor. Esta capsula liberaria su contenido solo cuando el calor es
el suficiente como para deformar la nanoconcha. Una aplicación mas dramatica para las nanoconchas es en el
tratamiento del cancer. La idea es unir la esfera a los anticuerpos que se ligan a especificas celulas tumorales .
Calentando lo suficiente a las nanoconchas se destruiria en teoria las celulas cancerosas dejando un minimo de
tejido dañado. Esto es , por supuesto , difícil de saber con certeza si podran cumplir con este propósito. Pero
esto tambien se puede decir para todos los aparatos desarrolados para el uso medico, entre ellos el buckyball
de un nanometro. Aunque podemos asumir que los objetos que hoy estan siendo investigados ayudaran a los
doctores en un futuro cercano. Tambien podria ser posible que con blocks de construcción a nanoescala se
puedan reconstruir tejidos dañados imitando los procesos biologicos naturales. Estos estudios estan recien
comenzando pero los estudios actuales estan dirigidos a la reconstrucción y crecimiento de hueso mediante la
utilización de moleculas sinteticas que se combinen dentro de las fibras en los huesos que tengan una fuerte
tendencia a adherir. Pero la meta final no es solo reconstruir huesos, ni cartílago ni piel sino que tambien
organos mas complejos y asi llegar a reemplazar corazones , riñones e higados en un futuro no muy lejano.
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