Nanopartículas para aplicaciones biotecnológicas

María del Carmen Gámez Sánchez »

A finales de los años 50, uno de los grandes físicos del siglo pasado, el Dr. Richard Feynman, propuso una nueva área de estudio para la ciencia, la tecnología a escala nanométrica (1nm = 1 × 10^-9 m), que dio lugar a la aparición de términos como la nanociencia y la nanotecnología. Según la Comisión Europea, la nanociencia se define como “el estudio del comportamiento y la manipulación de materiales a escala atómica o molecular para entender y explotar sus propiedades, que son significativamente distintas de las propiedades a escala macroscópica”; mientras que la nanotecnología es definida como “una ciencia interdisciplinaria que se refiere a las actividades científicas y tecnológicas llevadas a cabo a escala atómica y molecular, así como a los principios científicos y a las nuevas propiedades que pueden ser comprendidos y controlados cuando se interviene a dicha escala”.^[i]

La nanotecnología es un campo multidisciplinar que comprende áreas como la biología, química, física, ciencia de materiales, ingeniería, etc., y tiene gran importancia en campos como la informática, las comunicaciones, la microelectrónica, la biotecnología y la medicina. Proporciona las técnicas y herramientas para la creación y utilización de sistemas, estructuras y materiales a escala nanométrica, es decir, en el rango comprendido desde 1 nanómetro hasta varios cientos de nanómetros. Estos nanomateriales presentan características nuevas o mejoradas debido a que sus propiedades físicas y químicas se comportan de manera diferente a la escala macroscópica. Además, presentan dimensiones en la misma escala que las biomoléculas, por ejemplo, una molécula de DNA tiene unos 2,5 nm de ancho, o la hemoglobina, que posee un diámetro de unos 5 nm. Por tanto, la nanotecnología permite diseñar partículas, materiales y dispositivos a escala nanométrica que interactúen con los materiales biológicos de forma más directa, efectiva y precisa. La aplicación de la nanotecnología a los sistemas biológicos está ayudando a entender y manipular células vivas y componentes biológicos, que pueden conllevar grandes avances en el diagnóstico, prevención y tratamiento de enfermedades.

Nanopartículas

De entre todos los sistemas de tamaño nanométrico, las nanopartículas han sido uno de los más estudiados. Las nanopartículas comprenden tamaños entre 1 nm y 100 nm de acuerdo a la definición habitual, (aunque hay ejemplos de nanopartículas de varios cientos de nanómetros de tamaño). Su importancia reside en el hecho de que las características de las nanopartículas son diferentes de las de los materiales macrométricos de la misma composición, presentando nuevas propiedades físicas, debidas a la reducción en tamaño que lleva a cambios en los niveles electrónicos de las nanopartículas y al aumento del número de átomos presentes en su superficie respecto al volumen total de la nanopartícula.

El confinamiento de los electrones en estas nanoestructuras es el responsable de la generación de nuevas propiedades magnéticas, de conducción electrónica o termodinámicas. Junto con su capacidad de absorber biomoléculas fácilmente, las nanopartículas pueden conjugarse con proteínas, péptidos, carbohidratos, ácidos nucleicos, así como otro tipo de moléculas orgánicas, como puede ser un fármaco o un fluoróforo, para su utilización en aplicaciones biológicas y biomédicas, tanto en diagnóstico como en terapia como, por ejemplo, transportadores de fármacos, vectores para terapia génica o hipertermia.

Las nanopartículas están compuestas tanto de materiales inorgánicos (nanopartículas magnéticas, puntos cuánticos, nanopartículas metálicas de oro, etc.) como orgánicos (nanopartículas poliméricas, dendrímeros, liposomas, etc.)Para las aplicaciones in vivo es necesario que la nanopartícula sea biocompatible y debe interactuar con un alto grado de especificidad con las células y los tejidos del cuerpo humano.

Además, para alcanzar el lugar al que es dirigida, debe burlar las barreras del sistema inmunológico, por lo que es necesario recubrir la nanopartícula con algún material biocompatible que la enmascare frente al sistema inmune. Por lo tanto, según la aplicación para la que va a ser destinada, es muy importante diseñar de forma adecuada la nanopartícula que se va a emplear. Es decir, elegir el tipo de nanopartícula, ya sea orgánica o inorgánica, dependiendo de la propiedad que posea el material necesaria para la función que vaya a desempeñar; elegir la cubierta que además de estabilizar la nanopartícula, y evitar su agregación, le confiera biocompatibilidad, además de permitir la unión de otras moléculas a su superficie, o permitir la retención de moléculas en su interior. Finalmente hay que elegir la molécula o biomolécula, o incluso combinaciones de ambas, que dan funcionalidad específica a la nanopartícula.

Vehículos transportadores de fármacos

Gracias a las herramientas proporcionadas por la nanotecnología, están teniendo lugar grandes avances en el tratamiento de numerosas enfermedades, además de en terapia contra el cáncer, también en el tratamiento de enfermedades neurodegenerativas, enfermedades autoinmunes, diabetes, así como afecciones cardiovasculares, etc. Una de las mayores aplicaciones de la nanotecnología en terapia es el uso de nanopartículas como vehículos transportadores para la liberación controlada de fármacos.

Las nanopartículas son capaces de dirigir el fármaco hasta el órgano o célula diana donde tiene que actuar, además de hacerlo con una alta concentración de manera que sea necesaria una dosis menor del fármaco, disminuyendo por tanto los posibles efectos secundarios. Este transporte puede tener lugar de forma pasiva, si las nanopartículas son acumuladas en la zona dañada, debido a los cambios en la vascularización de los tejidos producidos en ciertas patologías.

También puede ocurrir de forma remota, si se aplica un estímulo externo que dirija a las nanopartículas, o activa al unir alguna molécula (anticuerpos, péptidos, carbohidratos) a la superficie de la nanopartícula que tenga afinidad especial hacia el sitio de interés, o que reconozca moléculas sobre-expresadas en las células dañadas. Además de transportador, la nanopartícula debe liberar el fármaco una vez ha llegado a su destino. Esto puede ocurrir debido a las propiedades del material como respuesta a un estímulo externo (exposición a un campo magnético, irradiación con luz, etc.) en nanopartículas de oro o nanopartículas magnéticas; o un estímulo interno (cambio de pH, de temperatura, etc.) en nanopartículas poliméricas.

Las nanopartículas también pueden actuar por ellas mismas como agentes terapéuticos, como ocurre en el caso de la hipertermia, ya sea magnética u óptica. Las células tumorales son más sensibles al calor y las nanopartículas son capaces de liberar calor, tras inducir su calentamiento bajo la influencia de un campo magnético externo alterno (en el caso de nanopartículas magnéticas para hipertermia magnética) o por irradiación con una luz infrarroja (en el caso de nanopartículas de oro para hipertermia óptica).

Diagnóstico

Por otro lado, en el campo del diagnóstico, la nanotecnología trata de desarrollar nuevos sistemas de análisis y de imagen, o mejorar los existentes, para la detección de enfermedades, tanto in vivo como in vitro, en los estadios más tempranos posibles. El empleo de nanopartículas (tanto magnéticas, como metálicas, o puntos cuánticos) como agentes de contraste para marcaje in vivo, ha llevado a una mejora en la sensibilidad y contraste de las técnicas de imagen, permitiendo la localización y detección de pequeños tumores.

Estas nanopartículas deben estar unidas a un biorreceptor que los dirija al lugar adecuado. Las nanopartículas de oro son grandes candidatos para las técnicas de imagen in vivo, ya que es posible diseñar partículas de distinta forma y tamaño que absorban o dispersen la luz en una región concreta del espectro electromagnético, (como en el infrarrojo cercano, donde no absorben los tejidos). Esto ha dado lugar a la aparición de nuevas técnicas de diagnóstico por imagen, como la tomografía de coherencia óptica (OCT), o la tomografía fotoacústica (PAT). También las nanopartículas magnéticas son utilizadas como agentes de contraste en resonancia magnética de imagen (RMI).

El diagnóstico in vitro permite una mayor flexibilidad en los diseños de las nanopartículas. Se buscan sistemas que permitan una detección específica de sustancias químicas y biológicas, con gran precisión y sensibilidad en tiempos muy cortos, puesto que las técnicas de análisis clínico habituales suelen requerir largos tiempos, son laboriosas y necesitan personal especializado para su empleo. Las herramientas proporcionadas por la nanotecnología posibilitan el desarrollo de nanodispositivos de detección (nanobiosensores) miniaturalizables capaces de detectar múltiples analitos simultáneamente.

En resumen, la nanotecnología ha puesto a nuestro servicio una potente herramienta en los campos de la medicina y la biotecnología, permitiendo diseñar fármacos más eficaces, con menores efectos secundarios y, en algunos casos, hasta personalizados, así como técnicas de diagnóstico más eficaces y sensibles, posibilitando una detección precoz de las enfermedades, con las consecuentes ventajas de administrar el tratamiento adecuado en las fases tempranas de las mismas. A pesar de ser una disciplina relativamente reciente, se ha avanzado enormemente en la investigación a escala nanométrica, aunque aún queda un largo camino por recorrer.

Referencia:

[i] COMMUNITIES, C. O. T. E., Towards a European strategy for nanotechnology. 2004.

Imágenes:

1. Filtro de nanopartículas de oro para eliminar metales pesados del agua: www.iagua.es
2. Nanopartículas de sílice transportando un fármaco: agenciadenoticias.unal.edu.co
3. Uso del nanopartículas de oro como agente de contraste: www.nanoprobes.com