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 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 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 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.