Nanotecnología: un nuevo enfoque en la lucha contra el cáncer

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Itziar Galarreta Rodríguez »

image“There is a plenty of room at the bottom” (hay mucho espacio al fondo) fue el título de la conferencia en la que Richard Feynman (figura. 1), el 29 de diciembre de 1959, expuso lo que hoy en día se conoce como los “pilares” de la nanotecnología. En ella Feynman habló sobre manipular, controlar y fabricar objetos de muy pequeñas dimensiones de una manera absolutamente distinta a lo anteriormente conocido. Fue un pionero planteando el amplio abanico de posibilidades que ofrecía la manipulación de átomos en la síntesis química, pero el escepticismo de la época hizo que en vez de admiración provocara risas entre los asistentes [1]. A día de hoy, sin embargo, el desarrollo de la nanotecnología ha despertado el interés de los investigadores a nivel mundial debido, entre otras cosas, a su aplicabilidad, que abarca una gran cantidad de áreas desde el medio ambiente, la construcción, la agricultura… hasta la medicina [2].

Los nanomateriales son sistemas que contienen partículas con dimensiones en la escala del nanómetro (10-9 m). La nanotecnología se encarga de materiales o estructuras en dicha escala y se define como el diseño, la fabricación y la aplicación de nanoestructuras o nanomateriales y relaciona las propiedades físicas y las dimensiones del material. Existen muchas definiciones empleadas por diversos investigadores, pero ninguna de ellas cubre todo el espectro de la nanotecnología. Actualmente, existe un gran interés de biólogos, químicos, físicos e ingenieros por las aplicaciones de estos materiales, llegando a decir que la nanotecnología es la próxima revolución industrial [3]. La razón de este gran interés, son las inusuales propiedades que presentan estos materiales comparadas con sus homólogas en gran volumen [4 – 6]. En los sistemas nanoestructurados, el origen de sus propiedades inusuales se debe a dos hechos:

I. La dimensión de las partículas es similar e incluso menor que la longitud crítica de ciertos fenómenos, como la longitud de onda de Broglie del electrón, el camino libre medio del electrón, el tamaño máximo del dominio magnético, etc.

II. Los efectos superficiales dominan la termodinámica de las partículas, como la estructura cristalina, la reactividad, la morfología superficial, etc.

El primero de estos hechos implica la obtención de propiedades eléctricas, ópticas o magnéticas especiales en materiales nanoestructurados y en nanosemiconductores. El segundo, conlleva la adopción de diferentes morfologías en los nanocristales [7 – 8] y la variación en la actividad catalítica [9 – 10].

imageEl uso de materiales a nanoescala, en particular, nanopartículas (Figura 2), es actualmente un tema destacado en la salud y las ciencias de la vida [11]. Debido a sus propiedades físicas y químicas modulables con el tamaño, las nanopartículas magnéticas han demostrado una amplia gama de aplicaciones que van desde el diagnóstico médico hasta el tratamiento de diversas enfermedades. Combinando una alta magnetización de saturación con una superficie adecuadamente funcionalizada, las nanopartículas pueden unirse de manera selectiva a las células o tejidos dañados y desempeñar su papel terapéutico en ellos. En particular, cabe destacar las nanopartículas de óxido de hierro en diferentes estados de oxidación, las cuales están siendo investigadas para lograr una alta y eficiente destrucción de células cancerosas mediante tratamientos de hipertermia magnética [12].

¿Qué es la hipertermia magnética?

La hipertermia es un tipo de tratamiento contra el cáncer mediante el cual se expone el tejido dañado del cuerpo a un incremento de temperatura con el objetivo de dañar y destruir las células cancerosas [13]. Este incremento de temperatura daña las proteínas de las células tumorales [14].

¿Cómo se aplica la hipertermia magnética?

Para poder aplicar hipertermia magnética es preciso primero suministrar al paciente el material magnético con el que va a calentarse el área deseada. Para ello hay diferentes métodos: intraarterial e intratumoral. En el primer caso, las nanopartículas son funcionalizadas con proteínas y moléculas diana para que por ellas mismas vayan a la zona tumoral; en la segunda se hace una inyección directa del ferrofluido en el tumor [15]. Después, una vez que el ferrofluido está localizado en la zona tumoral, se le aplica un campo magnético alterno que hace que los momentos de las nanopartículas y las mismas nanopartículas giren creando así un aumento de temperatura localizado y la posterior apoptosis de las células tumorales.

¿Cómo son las nanopartículas de óxidos de hierro?

Los últimos años, en el campo de la medicina se han estudiado dos tipos de nanopartículas de óxidos las compuestas por magnetita (Fe3O4) y maghemita (γ-Fe2O3) debido a su carácter biocompatible y biodegradable.

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Estas nanopartículas presenta una estructura cúbica tipo espinela inversa (Figura 3.a). Los óxidos de hierro magnéticos con este tipo de estructura están formados por dos subredes cristalográficamente opuestas que dan lugar a un ordenamiento antiparalelo de los átomos de hierro. En esta estructura los iones oxígeno forman el empaquetamiento cúbico compacto y los iones de hierro se sitúan en los intersticios tetraédricos (figura 3.b) y octaédricos (figura 3.b).

En la estructura de la magnetita, los cationes Fe2+ ocupan únicamente posiciones octaédricas, mientras que los iones Fe3+ se distribuyen entre las posiciones tetraédricas y octaédricas. La estructura de la maghemita solo presenta iones Fe3+ distribuidos entre los huecos tetraédricos y octaédricos. La diferencia entre las dos estructuras radica en la presencia de vacantes en los huecos octaédricos de la estructura de la maghemita. Estas vacantes pueden distribuirse tanto al azar, como parcial o completamente ordenadas. También es preciso comentar que, si estas dos subredes antiparalelas tuvieran el mismo número de átomos con idéntico estado de oxidación, la suma de los momentos magnéticos de ambas daría un valor 0 para el momento magnético neto. En el caso de la magnetita y maghemita, los momentos magnéticos de cada subred no están compensados y presenta imanación, siendo inferior en el caso de la maghemita por tener únicamente átomos de hierro de hierro (III). Este tipo de materiales se denominan materiales ferrimagnéticos y presentan imanación espontánea, saturación magnética e histéresis a temperatura ambiente [16 – 17].

En el caso de la hipertermia, suelen emplearse nanopartículas con un tamaño comprendido entre 15 y 18 nm. Los materiales magnéticos por debajo de un tamaño crítico, suelen ser monodominios magnéticos y presentan un comportamiento superparamagnético. Esto hace que las nanopartículas reaccionen a los campos magnéticos aplicados pero que al retirarlos vuelvan a su estado originario sin ningún tipo de magnetización residual, evitando su aglomeración y haciéndolas así perfectas para su uso en hipertermia [12].

¿Por qué se emplean nanopartículas de óxido de hierro?

Generalmente, cualquier material magnético sometido a la acción de campo alterno de frecuencia suficientemente alta absorbe parte de la energía de ese campo y la transforma en calor. Este fenómeno se conoce como hipertermia magnética. En el caso de las nanopartículas magnéticas monodominio, los mecanismos físicos que permiten esa absorción de energía se deben tanto a la rotación del momento dentro de la partícula (relajación de Neel) (Figura 4.a), como a la rotación de la propia partícula respecto del eje del campo aplicado cuando se encuentra en un medio liquido (relajación Browniana) (Figura 4.b) [18].

 

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De esta manera se genera un incremento de temperatura en la zona tumoral, lo que crea una apoptosis celular de las células cancerosas.

Los estudios realizados hasta el día de hoy mediante esta técnica han demostrado que es una técnica eficaz y poco invasiva que puede ayudar en el tratamiento de tumores localizados. Es por ello que es imprescindible seguir desarrollando nuevos nanomateriales para optimizar la técnica a fin de poder llegar en pocos años a su implantación hospitalaria. Entre otros, es preciso mejorar su funcionalización, mediante la cual se une a las células tumorales como se ha comentado anteriormente. El uso de ligando más específicos y selectivos daría un gran impulso a esta técnica. Por otro lado, también deben sintetizarse materiales con mayores capacidades caloríficas, facilitando así el aumento de la temperatura celular.

En conclusión, aunque todavía se trate de una técnica en estudio puede que un día sea implantada como tratamiento complementario a la quimioterapia actual o incluso termine la termine reemplazando.

Bibliografía

[1] Feynman, R. P. Plenty of Room at the Bottom. American Physical Society. Pasadena (diciembre de 1959). Disponible en el siguiente enlace: https://www.pa.msu.edu/~yang/RFeynman_plentySpace.pdf Última visita: 21/12/2016

[2] Sanjay, S.S. y Pandey, A.C., Mater. Sci. Forum. (2017), Vol 62, pp 47-63.

[3] Roco, M.C., JOM. 54 (2002) 22-23.

[4] Gleiter, H. Adv. Mater. 4 (1992) 474-481.

[5] Henglein, A., Chem. Rev. 89 (1989) 1861-1873.

[6] Weller, H. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 32 (1993) 41-53.

[7] Stark, J.V., Park, D.G., Lagadic, I., Klabunde, K.J., Chem. Mater. 8 (1996) 1904-1912.

[8] Stark, J.V., Klabunde, K.J., Chem. Mater. 8 (1996) 1913-1918.

[9] Sun, Y., Xia, Y., Science 298 (2002) 2176-2179

[10] Koper, O.B, Klabunde K.J., Chem. Mater. 9 (1997) 2481-2485

[11] Pandey, A.. Adv. Sci. Forum (2017) 62, 65-76

[12] Castellanos-Rubio, I., Insausti M., Garaio E., Gil de Muro I., Plazaola F., Rojo T, Lezama L. Nanoscale 6 (2014) 7542-7552.

[13] Neel, L. Ann. Phys. 5 (1936) 232

[14] Cullity, B. D., Graham C. D., (1972) Introduction to Magnetic Materials. Massachusets: Addison – Wesley Publishing Company, (1972). p 181- 202

[15] Brown, R., Phil. Mag. 4, 161-173, 1828. Disponible en: http://sciweb.nybg.org/science2/pdfs/dws/Brownian.pdf Última visita: 21/12/2016

[16] Van der Zee J. Ann Oncol (2002); 13(8):1173–1184.

[17] Hildebrandt B, Wust P, Ahlers O, Crc. Cr. Rev. Oncol-Hem. (2002); 43(1):33–56.

[18] Echevarria, J.J., Garcia-Alonso, I, Herrero, B., Aizpurua, J., Saiz-Lopez, A. SERAM 2014. Sociedad Española de Radiologia Médica (2014).

Imágenes

Figura 1: Richard Phillis Feynman, Ciencias y educación. Disponible en el siguiente enlace:http://www.taringa.net/post/ciencia-educacion/17521729/Richard-Feynman.html. Última visita: 02/01/2017.

Figura 3: Cullity, B. D., Graham C. D., (1972) Introduction to Magnetic Materials. Massachusets: Addison – Wesley Publishing Company, (1972). p 178.

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