En 1959, el físico galardonado con el Nobel Richard Feynman afirmó célebremente: “Hay mucho espacio en el fondo.” Se refería al potencial revolucionario de manipular y controlar los materiales a escala nanométrica.
Durante su célebre charla, que tuvo lugar en la reunión anual de la American Physical Society en el California Institute of Technology, desafió al público: “¿Por qué no podemos escribir los 24 volúmenes de la Encyclopaedia Britannica en la cabeza de un alfiler?”
En las cinco décadas transcurridas desde entonces, las innovaciones en nanotecnología han dado lugar a baterías de mayor duración y circuitos electrónicos con características de escala nanométrica. Incluso en medicina, los investigadores han utilizado nanopartículas para atacar la enfermedad con precisión a nivel tisular, celular o incluso molecular, un campo que hoy se conoce comúnmente como nanomedicina.
Tradicionalmente, los medicamentos son moléculas pequeñas que actúan sobre una o más vías biológicas. Las nanomedicinas futuristas, en cambio, son combinaciones de fármacos y materiales (naturales o sintéticos), con un tamaño de entre 100 y 1000 nm; mil de ellas alineadas en fila equivaldrían aproximadamente al diámetro de un cabello humano. Estos materiales, por lo general polímeros o lípidos sintéticos o naturales, se utilizan con frecuencia para encapsular fármacos hidrofóbicos y hacerlos más solubles. Estos diminutos “paquetes” de nanopartículas cargadas de fármaco circulan por el torrente sanguíneo y liberan los medicamentos en los lugares de la enfermedad.
Entre las muchas innovaciones inspiradoras que se producen en la nanomedicina, estas son cinco áreas que, creemos, experimentarán un crecimiento significativo en los próximos años:
Nanomedicina que responde a estímulos
Los investigadores llevan mucho tiempo tratando de encontrar formas de administrar fármacos terapéuticos a los lugares de la enfermedad sin afectar al tejido sano (y, por tanto, minimizando los efectos secundarios). Resulta que los lugares de enfermedad, como los tumores sólidos, presentan características fisiológicas que los diferencian del tejido sano. Se ha demostrado, por ejemplo, que el microentorno local de los tumores es más ácido y más caliente que el tejido circundante, aunque este fenómeno no se ha observado en todos los casos.
Calificar de “inteligentes” a estas nanopartículas es probablemente una exageración; al fin y al cabo, no están dotadas de inteligencia artificial. Sin embargo, los investigadores han desarrollado nanopartículas que responden a estímulos como el pH, la temperatura e incluso enzimas sobreexpresadas en el microentorno del cáncer. Por ejemplo, los polímeros termosensibles se hinchan y liberan su carga de fármaco en el microentorno tumoral.
Además de los estímulos endógenos (internos), las nanopartículas también pueden hacerse sensibles a estímulos externos, como un campo magnético, la luz o los ultrasonidos. Los investigadores han diseñado nanopartículas que contienen tanto nanopartículas de óxido de hierro como fármacos anticancerígenos, y las han concentrado en tumores mediante un campo magnético externo.
Nanomedicina que conoce su destino
El trabajo pionero de Robert Langer en el Instituto Tecnológico de Massachusetts ha hecho posible que las nanopartículas permanezcan en la circulación sanguínea durante periodos significativamente más largos que antes. Al conjugar con la superficie de las nanopartículas un polímero sintético conocido como polietilenglicol (PEG), se demostró que estas podían circular en la sangre hasta 24 horas, en lugar de solo unos minutos.
Desde el estudio de 1994, los científicos han diseñado nanopartículas de segunda y tercera generación con características aún más sofisticadas: han unido a las cadenas de PEG de su superficie anticuerpos, aptámeros de ADN o ARN, o pequeñas moléculas para enviar las nanopartículas a tejidos cancerosos específicos; es como escribir una dirección en una postal. Por ejemplo, se sabe que los cánceres aumentan la expresión de los receptores de folato en la superficie celular; por ello, las nanopartículas con moléculas de folato expuestas en su superficie son captadas con mayor facilidad por estas células cancerosas.
Nanomedicina fabricada de formas novedosas
Es fundamental que las nanopartículas se fabriquen de manera uniforme y reproducible para que sus propiedades puedan controlarse bien. Sin embargo, sintetizar millones (e incluso miles de millones) de nanopartículas diseñadas con precisión no es tarea fácil.
Científicos dirigidos por Joseph Desimone, de la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill, han desarrollado una técnica denominada replicación de partículas en plantillas no humectantes (PRINT) para fabricar nanopartículas con un control elevado de tamaño, forma, química superficial y composición. En este método, las nanopartículas se moldean a partir de una plantilla y, posteriormente, se desprenden de ella. Otras técnicas de síntesis incluyen el uso de dispositivos microfluídicos para sintetizar nanopartículas.
Los investigadores de nanomedicina han adoptado métodos de “síntesis verde” para diseñar nanopartículas metálicas, como las de plata, hierro, platino y oro. Al añadir sales metálicas al medio de cultivo de bacterias, hongos y algas, los microbios se convierten en fábricas biológicas que transforman los iones metálicos que se les suministran en nanopartículas.
Nanomedicina que combate superbacterias
El uso inadecuado y excesivo de antibióticos ha provocado la evolución de cepas bacterianas resistentes a los antibióticos, conocidas coloquialmente como superbacterias. Dado que nuestro arsenal antimicrobiano no ha evolucionado tan rápidamente como estas superbacterias, los investigadores de nanomedicina han adoptado enfoques ingeniosos para abordar este creciente problema de salud pública.
Investigadores dirigidos por Yi Yan Yang, del Instituto de Bioingeniería y Nanotecnología de Singapur, en colaboración con IBM Research, han desarrollado un hidrogel biocompatible y no tóxico para recubrir superficies quirúrgicas, instrumentos e implantes.
Al entrar en contacto con superficies contaminadas, la carga positiva del hidrogel atrae las membranas microbianas cargadas negativamente, lo que rompe la membrana de la bacteria y la mata. Se ha demostrado que el hidrogel mata varios microbios clínicamente relevantes en el plazo de un minuto desde el contacto, entre ellos superbacterias como el Staphylococcus aureus resistente a la meticilina y el Mycobacterium tuberculosis multidrogorresistente.
Nanomedicina que evade el sistema inmunitario
Nuestro sistema inmunitario está preparado por la evolución para eliminar los objetos que el organismo considera “extraños”. Sin embargo, esta vigilancia innata de masas también elimina una buena parte de las moléculas de fármaco que administramos para tratar enfermedades.
Para abordar este problema de larga data, investigadores dirigidos por Liangfang Zhang, de la Universidad de California en San Diego, se inspiraron en la naturaleza y diseñaron nanopartículas biomiméticas. De forma muy similar a la capa invisible de Harry Potter, al aislar las membranas de los glóbulos rojos y camuflar en ellas nanopartículas poliméricas, se logró que las nanopartículas fueran “invisibles” para las células inmunitarias y circularan durante más tiempo por el torrente sanguíneo.
Denominadas “fantasmas celulares”, su mayor permanencia en el torrente sanguíneo reduce la necesidad de administraciones frecuentes. Zhang y sus colaboradores han utilizado las nanopartículas “fantasma celular” en diversas aplicaciones, entre ellas la biorremediación (eliminación de contaminantes), la vacunación y la administración de fármacos contra el cáncer.
La Reunión Anual de los Nuevos Campeones 2015 se celebrará en Dalian, China, del 9 al 11 de septiembre.
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Autores: Juliana Chan es profesora adjunta en la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur y Joven Líder Global. Sangeetha Krishnamurthy es investigadora posdoctoral en la Universidad Tecnológica de Nanyang.
Imagen: Una bandeja con células cancerígenas descansa sobre un microscopio óptico en el Laboratorio de Nanomedicina de la Escuela de Farmacia de la UCL en Londres, el 2 de mayo de 2013. REUTERS/Suzanne Plunkett
