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Impacto de la
nanotecnología
Salud y seguridad
Ambiental
Otros temas

La nanomedicina es la aplicación médica de la nanotecnología . [1] La nanomedicina abarca desde las aplicaciones médicas de nanomateriales y dispositivos biológicos , hasta biosensores nanoelectrónicos , e incluso posibles aplicaciones futuras de la nanotecnología molecular , como las máquinas biológicas . Los problemas actuales de la nanomedicina implican comprender los problemas relacionados con la toxicidad y el impacto ambiental de los materiales a nanoescala (materiales cuya estructura está en la escala de nanómetros, es decir, mil millonésimas de metro ). [2] [3]

Se pueden agregar funcionalidades a los nanomateriales integrándolos 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 la investigación y aplicaciones biomédicas in vivo e in vitro. Hasta ahora, 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. [4] [5] 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 . [6] 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. [7]

Las ventas de nanomedicina alcanzaron los $ 16 mil millones en 2015, con un mínimo de $ 3.8 mil millones en I + D en nanotecnología que se invierte cada año. La financiación mundial para la nanotecnología emergente aumentó un 45% anual en los últimos años, con ventas de productos que superaron el billón de dólares en 2013. [8] A medida que la industria de la nanomedicina sigue creciendo, se espera que tenga un impacto significativo en la economía.

Entrega de medicamentos [ editar ]

Las nanopartículas (arriba) , los liposomas (medio) y los dendrímeros (abajo) son algunos nanomateriales que se están investigando para su uso en nanomedicina.

La nanotecnología ha brindado la posibilidad de administrar medicamentos a células específicas mediante nanopartículas. [9] [10] El consumo general de drogas y los efectos secundarios pueden reducirse significativamente al depositar el agente activo en la región mórbida únicamente y en una dosis no mayor de la necesaria. La administración de medicamentos dirigida tiene como objetivo reducir los efectos secundarios de los medicamentos con disminuciones concomitantes en el consumo y los gastos de tratamiento. 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 el direccionamiento molecular mediante dispositivos de nanoingeniería. [11] [12]Un beneficio del uso de nanoescala para tecnologías médicas es que los dispositivos más pequeños son menos invasivos y posiblemente se pueden implantar dentro del cuerpo, además de que los tiempos de reacción bioquímica son mucho más cortos. Estos dispositivos son más rápidos y sensibles que la administración de fármacos típica. [13] La eficacia de la administración de fármacos a través de la nanomedicina se basa en gran medida en: a) la encapsulación eficaz de los fármacos, b) la administración satisfactoria del fármaco a la región objetivo del cuerpo yc) la liberación satisfactoria del fármaco. [14]

Los sistemas de administración de fármacos, nanopartículas a base de lípidos [15] o polímeros, pueden diseñarse para mejorar la farmacocinética y la biodistribución del fármaco. [16] [17] [18] Sin embargo, la farmacocinética y la farmacodinámica de la nanomedicina es muy variable entre los diferentes pacientes. [19] Cuando se diseñan para evitar los mecanismos de defensa del cuerpo, [20] las nanopartículas tienen propiedades beneficiosas que pueden usarse para mejorar la administración de fármacos. Se están desarrollando mecanismos complejos de administración de fármacos, incluida la capacidad de hacer que los fármacos pasen a través de las membranas celulares y lleguen al citoplasma celular.. La respuesta activada es una forma de utilizar las moléculas de fármacos de forma más eficaz. Las drogas se colocan en el cuerpo y solo se activan al encontrar una señal en particular. Por ejemplo, un fármaco con escasa solubilidad será reemplazado por un sistema de suministro de fármaco en el que existan entornos hidrófilos e hidrófobos, mejorando la solubilidad. [21] Los sistemas de administración de fármacos también pueden prevenir el daño tisular mediante la liberación regulada del fármaco; reducir las tasas de eliminación de medicamentos; o reducir el volumen de distribución y reducir el efecto sobre el tejido no objetivo. Sin embargo, la biodistribución de estas nanopartículas sigue siendo imperfecta debido a las complejas reacciones del huésped a los materiales nanométricos y microscópicos [20].y la dificultad para apuntar a órganos específicos del cuerpo. Sin embargo, todavía se está trabajando mucho 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 focalización y la distribución, los peligros de la nanotoxicidad se convierten en un paso importante para comprender mejor sus usos médicos. [22]La toxicidad de las nanopartículas varía según el tamaño, la forma y el material. Estos factores también afectan la acumulación y el daño orgánico que puede ocurrir. Las nanopartículas están hechas para ser duraderas, pero esto hace que queden atrapadas dentro de los órganos, específicamente el hígado y el bazo, ya que no pueden descomponerse ni excretarse. Se ha observado que esta acumulación de material no biodegradable causa daño e inflamación de órganos en ratones. [23]

Las nanopartículas están bajo investigación por su potencial para disminuir la resistencia a los antibióticos o para varios usos antimicrobianos. [24] [25] [26] [27] Las nanopartículas también podrían usarse para eludir los mecanismos de resistencia a múltiples fármacos (MDR). [9]

Sistemas en investigación [ editar ]

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. [28] Otro sistema para la entrega de microARN en investigación preliminar son las nanopartículas formadas por el autoensamblaje de dos microARN diferentes desregulados en el cáncer. [29] 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. [30]

Aplicaciones [ editar ]

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 los Estados Unidos (FDA) para tratar el cáncer de mama , [31] el cáncer de pulmón de células no pequeñas (NSCLC) [32] y el cáncer de páncreas , [33] 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 también 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 del fármaco que se distribuye. Los liposomas son estructuras coloidales cerradas, esféricas y autoensambladas que se componen de bicapas lipídicas que rodean un espacio acuoso. Los liposomas también ayudan a aumentar la funcionalidad y ayudan a disminuir el daño que el medicamento hace a los músculos del corazón específicamente. [34]
  • Onivyde, irinotecán encapsulado en liposomas para tratar el cáncer de páncreas metastásico, fue aprobado por la FDA en octubre de 2015. [35]
  • Rapamune es un fármaco a base de nanocristales que fue aprobado por la FDA en 2000 para prevenir el rechazo de órganos después del 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. [36]
  • Cabenuva está aprobado por la FDA como nano-suspensión inyectable de liberación prolongada de cabotegravir , más nano-suspensión 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 suprimidos virológicamente (ARN del VIH-1 menos de 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 por el VIH-1 que se administra una vez al mes.

Terapias potenciales [ editar ]

Cáncer [ editar ]

El tamaño de las nanopartículas para aplicaciones clínicas va desde los 5 hasta los 200 nanómetros. El tamaño es un determinante importante en la disposición de las nanopartículas que les permite acumularse preferentemente en sitios de tumores sólidos, que se caracteriza por una permeabilidad capilar sanguínea mejorada y un drenaje linfático reducido. Sin embargo, las partículas que se dirigen a los tumores dan como resultado en promedio solo el 2% de la dosis [ref]. La administración de fármacos en el sitio en lugar de en órganos fuera del objetivo es una de las características más atractivas, pero es necesario realizar más investigaciones para incluir en la mezcla el microambiente tumoral y otras propiedades de las partículas, como la forma y la carga de las nanopartículas. No obstante, la nanoformulación de agentes de quimioterapia tóxicos aprovechará las limitaciones de la quimioterapia típica que incluyen resistencia a los fármacos, falta de selectividad y falta de solubilidad. [37]

VIH [ editar ]

Las enfermedades infecciosas crónicas pueden beneficiarse de la nanomedicina. La infección por VIH dura toda la vida. El paciente infectado por el VIH necesita una combinación diaria de antirretrovirales (2-4 píldoras, TARGA ) para controlar el virus del VIH en el plasma. El mal cumplimiento y la fatiga de la píldora favorecen el resurgimiento del virus y su transmisibilidad. La atractiva posibilidad de nanoformulación de tener una terapia en la que uno o varios fármacos se transportan en nanopartículas ha sido bien recibida por muchas encuestas. La terapia contra el VIH-1 de acción prolongada acaba de ser aprobada por la FDA de EE. UU., Con el nombre de cabenuva ( cabotegravir más rilpivirina ), en la que 2 inyecciones IM mensuales sustituyen a 30 días de píldoras. [38]Para optimizar el problema de tener 2 inyecciones, los esfuerzos para combinar múltiples medicamentos en un nanoportador están entrando en ensayos clínicos después de estudios favorables en primates. [39] [40]

Imágenes [ editar ]

La obtención de imágenes in vivo es otra área en la que se están desarrollando herramientas y dispositivos. [41] Al utilizar 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 visualizar la acumulación de sangre, la isquemia, la angiogénesis , la aterosclerosis y las áreas focales donde hay inflamación. [41]

El pequeño tamaño de las nanopartículas las dota de propiedades que pueden resultar de gran utilidad en oncología , especialmente en imagenología. [9] Los puntos cuánticos (nanopartículas con propiedades de confinamiento cuántico, como la emisión de luz ajustable por tamaño), cuando se utilizan junto con la resonancia magnética (IRM), pueden producir imágenes excepcionales de los sitios de los tumores. 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 eliminación 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 y a un costo menor que los tintes orgánicos actuales que se utilizan como medio de contraste . Sin embargo, la desventaja es que los puntos cuánticos suelen estar hechos de elementos bastante tóxicos, pero esta preocupación puede resolverse mediante el uso de dopantes fluorescentes. [42]

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 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 solucionar este problema es con etiquetas luminiscentes. Estas etiquetas son puntos cuánticos unidos a proteínas que penetran en las membranas celulares. [42]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 sea fluorescente sea un múltiplo par de la frecuencia requerida para hacer que otro grupo sea incandescente. Entonces ambos grupos se pueden iluminar con una sola fuente de luz. También han encontrado una manera de insertar nanopartículas [43] en las partes afectadas del cuerpo para que esas partes del cuerpo brillen y muestren el crecimiento o encogimiento del tumor o también problemas en los órganos. [44]

Detectando [ editar ]

Artículo principal: Nanosensor

La nanotecnología en un chip es una dimensión más de la tecnología de laboratorio en un 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. [45] Las nanopartículas de oro marcadas con segmentos cortos de ADN se pueden utilizar para la detección de la secuencia genética en una muestra. La codificación óptica multicolor para ensayos biológicos se ha logrado mediante la incrustación de puntos cuánticos de diferentes tamaños en microperlas poliméricas.. La tecnología de nanoporos para el análisis de ácidos nucleicos convierte cadenas de nucleótidos directamente en firmas electrónicas. [ cita requerida ]

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. [46] La nanotecnología está ayudando a promover 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 ayuda a encontrar una manera de hacer que un artroscopio sea más pequeño que un mechón de cabello. [47]

La investigación sobre diagnósticos de cáncer basados en nanoelectrónica podría conducir a pruebas que se pueden realizar en farmacias . Los resultados prometen ser muy precisos y el producto promete ser económico. Podrían tomar una cantidad muy pequeña de sangre y detectar cáncer en cualquier parte del cuerpo en unos cinco minutos, con una sensibilidad mil veces mejor que una prueba de laboratorio convencional. Estos dispositivos que están construidos con nanocables para detectar proteínas cancerosas; cada detector de nanocables está preparado para ser sensible a un marcador de cáncer diferente. [30] La mayor ventaja de los detectores de nanocables es que pueden probar entre diez y cien condiciones médicas similares sin agregar costos al dispositivo de prueba. [48]La nanotecnología también ha ayudado a personalizar la oncología para la detección, el diagnóstico y el tratamiento del cáncer. Ahora se puede adaptar al tumor de cada individuo para un mejor rendimiento. Han encontrado formas de apuntar a una parte específica del cuerpo que está siendo afectada por el cáncer. [49]

Tratamiento de la sepsis [ editar ]

A diferencia de la diálisis, que funciona según el principio de la difusión de solutos relacionada con el tamaño y la ultrafiltración de líquido a través de una membrana semipermeable , la purificación con nanopartículas permite la focalización específica de sustancias. [50] Además, se pueden eliminar compuestos más grandes que normalmente no son dializables. [51]

El proceso de purificación se basa en nanopartículas de metal recubiertas de carbono o óxido de hierro funcionalizado con propiedades ferromagnéticas o superparamagnéticas . [52] Agentes de unión como proteínas , [50] antibióticos , [53] o ligandos sintéticos [54] están unidos covalentemente a la superficie de la partícula. Estos agentes aglutinantes pueden interactuar con las especies de destino formando un aglomerado. La aplicación de un gradiente de campo magnético externo permite ejercer una fuerza sobre las nanopartículas. Por tanto, las partículas se pueden separar del fluido a granel, limpiándolo así de los contaminantes. [55][56]

El pequeño tamaño (<100 nm) y la gran superficie de los nanoimanes funcionalizados dan lugar a propiedades ventajosas en comparación con la hemoperfusión , que es una técnica clínicamente utilizada para la purificación de sangre y se basa en la adsorción superficial . Estas ventajas son de alta carga y accesibles para agentes aglutinantes, alta selectividad hacia el compuesto objetivo, difusión rápida, pequeña resistencia hidrodinámica y baja dosis. [57]

Ingeniería de tejidos [ editar ]

La nanotecnología se puede utilizar como parte de la ingeniería de tejidos para ayudar a reproducir o 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 de polímero a bajas concentraciones (~ 0,2% en peso) conduce a mejoras significativas en las propiedades mecánicas de compresión y flexión de los nanocompuestos poliméricos. [58] [59] Potencialmente, estos nanocompuestos se pueden usar como un compuesto nuevo, mecánicamente resistente y ligero como implantes óseos. [ cita requerida ]

Por ejemplo, se demostró que un soldador de carne fusiona dos piezas de carne de pollo en una sola pieza utilizando una suspensión de nanoconchas recubiertas de oro activadas por un láser infrarrojo. Esto podría usarse para soldar arterias durante la cirugía. [60] Otro ejemplo es la nanonefrología , el uso de nanomedicina en el riñón.

Dispositivos médicos [ editar ]

La interfaz neuroelectrónica es un objetivo visionario que se ocupa de la construcción de nanodispositivos que permitirán que las computadoras se unan y se conecten al sistema nervioso. Esta idea requiere la construcción de una estructura molecular que permita el control y la detección de los impulsos nerviosos por una computadora externa. Una estrategia de recarga implica que la energía se recarga de forma continua o periódica con fuentes eléctricas externas sónicas, químicas, conectadas, magnéticas o biológicas, mientras que una estrategia de no recarga implica que toda la energía se extrae del almacenamiento interno de energía que se detendría cuando se agote toda la energía. Se ha desarrollado una célula de biocombustible enzimático a nanoescala para nanodispositivos autoamplificados que utiliza glucosa de biofluidos, incluida la sangre humana y las sandías. [61]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 con precisión en el sistema nervioso. Las estructuras que proporcionarán la interfaz también deben ser compatibles con el sistema inmunológico del cuerpo. [62]

Máquinas de reparación de células [ editar ]

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. [ cita requerida ] 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 inventos podría producir la nanotecnología y proponer una agenda para futuras investigaciones. Los elementos propuestos de la nanotecnología molecular, como los ensambladores moleculares y los nanorobots, están mucho más allá de las capacidades actuales. [1] [62] [63]Los avances futuros en nanomedicina podrían dar lugar a la extensión de la vida mediante 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 de células, incluidas las que operan dentro de las células y que utilizan aún hipotéticas máquinas moleculares , en su libro de 1986 motores de la creación , con la primera discusión técnica de nanorobots médicos por Robert Freitas que aparece en 1999. [1] Raymond Kurzweil , un futurista y transhumanista , declaró en su libro The Singularity Is Near que él cree que la medicina avanzadaLa nanorobótica podría remediar por completo los efectos del envejecimiento para el 2030. [64] Según Richard Feynman , fue su ex estudiante de posgrado y colaborador Albert Hibbs quien originalmente le sugirió (alrededor de 1959) la idea de un uso médico para las micromáquinas teóricas de Feynman (ver nanotecnología ). Hibbs sugirió que algunas máquinas de reparación podrían algún día reducir su 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 la parte inferior . [sesenta y cinco]

Ver también [ editar ]

  • Sociedad Británica de Nanomedicina
  • Oro coloidal
  • Nanotecnología del corazón
  • IEEE P1906.1 - Práctica recomendada para el marco de comunicación molecular y a nanoescala
  • Empaleo
  • Premio Kabiller de Nanociencia y Nanomedicina
  • Seguimiento (medicina)
  • Nanobiotecnología
  • Conjugado de nanopartículas y biomoléculas
  • Nanozimas
  • Nanotecnología en la ficción
  • Terapia fotodinámica
  • Diseño de arriba hacia abajo y de abajo hacia arriba

Referencias [ editar ]

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