Nanobiotecnología: Avances Diagnósticos y Terapéuticos
La Nanobiotecnología, convergencia entre la Nanotecnología y la Biotecnología, es la rama de la Nanotecnología que se perfila como la de mayor impacto en un futuro próximo debido a sus importantes aplicaciones, especialmente, diagnósticas y terapéuticas. La detección temprana de enfermedades (como el cáncer), su tratamiento precoz a nivel personalizado y el posterior seguimiento de su evolución serán posibles en los próximos años gracias a la aplicación de las herramientas nanobiotecnológicas que se están actualmente desarrollando. Este articulo pretende dar una visión de lo que es la Nanobiotecnología en general y la Nanomedicina, en particular, mostrando los más importantes avances en estos campos que podrían dar lugar a nuevos sistemas de diagnóstico y terapéuticos de mayor eficacia que los existentes, lo que redundaría en una mayor calidad de vida para los ciudadanos.
Nanobiotecnología: introducción
Dos de los grandes retos del Siglo XXI serán la capacidad de detectar de forma precoz la presencia de enfermedades y defectos genéticos, así como la capacidad de regenerar aquellos órganos y tejidos que estén dañados dentro de nuestro cuerpo. Encontrar una solución a estos retos podría tener una gran repercusión en la calidad de vida de los seres humanos. La Nanobiotecnología, disciplina en la frontera entre la nanotecnología y la biotecnología, es una de las grandes áreas emergentes en ciencia y tecnología que promete obtener tales avances. A través de la convergencia con la biotecnología, la Nanotecnología ofrece a las ciencias biológicas nuevos materiales y herramientas que poseen nuevas características o que mejoran significativamente su funcionamiento; en cambio la biología ofrece a la Nanotecnología oportunidades sin precedentes para explorar, aprender y utilizar nanoestructuras funcionales que son inherentes a los seres vivos.
Es evidente que el aumento de graves enfermedades como el cáncer, la diabetes o las enfermedades cardiovasculares en el mundo occidental, así como el aumento de la esperanza de vida con el consiguiente envejecimiento de la sociedad y la mayor incidencia de enfermedades crónicas, motiva la búsqueda de nuevos métodos de diagnóstico y terapéuticos que sean más rápidos y eficaces que los actuales y que además reduzcan al máximo los costes de los análisis y los servicios, y que al mismo tiempo sean cómodos para el usuario. Gracias a la Nanobiotecnología en un futuro próximo será posible contar con tales progresos y se podrá llegar hasta los tratamientos individualizados a distancia, o bien en el propio hogar o lugar de trabajo del paciente.
La definición de Nanobiotecnología abarca dos grandes áreas de actuación:
i.Aplicación de herramientas, componentes y procesos de la Nanotecnología a los sistemas biológicos, lo que últimamente se está dominando Nanomedicina, desarrollando herramientas para prevenir y tratar enfermedades en el cuerpo humano cuando están todavía en estados poco avanzados, lo que conllevará grandes avances diagnósticos y terapéuticos.
ii.Uso de sistemas biológicos como moldes para el desarrollo de nuevos productos de escala nanométrica (fundamentalmente nanodispositivos electrónicos).
En este articulo nos centraremos fundamentalmente en la primera área de actuación (nanomedicina) por ser esta la de mayor desarrollo e interés. Las herramientas y técnicas a la nanoescala están ayudando no sólo al diseño de materiales con dimensiones nanométricas que presentan características nuevas o mejoradas sino también a entender y manipular células vivas y componentes biológicos, por lo que está abriendo un camino potencial a la obtención de nuevos biosensores, nanoherramientas o sistemas de liberación de fármacos dirigidos, por citar algunos ejemplos. La Figura 1 muestra algunos de estos desarrollos nanobiotecnológicos. Estos avances sólo pueden tener lugar gracias a la integración multidisciplinar de la Nanotecnología con la biología y la medicina y por eso la característica esencial de la nanobiotecnología es la multidisciplinaridad.
ii.Uso de sistemas biológicos como moldes para el desarrollo de nuevos productos de escala nanométrica (fundamentalmente nanodispositivos electrónicos).
En este articulo nos centraremos fundamentalmente en la primera área de actuación (nanomedicina) por ser esta la de mayor desarrollo e interés. Las herramientas y técnicas a la nanoescala están ayudando no sólo al diseño de materiales con dimensiones nanométricas que presentan características nuevas o mejoradas sino también a entender y manipular células vivas y componentes biológicos, por lo que está abriendo un camino potencial a la obtención de nuevos biosensores, nanoherramientas o sistemas de liberación de fármacos dirigidos, por citar algunos ejemplos. La Figura 1 muestra algunos de estos desarrollos nanobiotecnológicos. Estos avances sólo pueden tener lugar gracias a la integración multidisciplinar de la Nanotecnología con la biología y la medicina y por eso la característica esencial de la nanobiotecnología es la multidisciplinaridad.
Uno de los grandes retos es el desarrollo de "nanoterapias" dirigidas específicamente a los tejidos y órganos enfermos evitándose dañar a las células sanas circundantes. La investigación en cáncer ilustra muchos de los potenciales de la nanobiotecnología a largo plazo ya que es de esperar que ayude a desarrollar una terapia anticáncer adecuada basada en:
•Sistemas de diagnóstico e imagen que permitan detectar el inicio de un proceso canceroso y que sea capaz de identificar el tipo de cáncer.
•Dispositivos multifuncionales capaces de evitar las barreras biológicas para transportar múltiples agentes terapéuticos directamente a las células cancerígenas y a aquellos tejidos que juegan un papel crítico en el crecimiento y metástasis del cáncer.
•Sistemas que proporcionen información en tiempo real de los efectos terapéuticos y/o de la cirugía sobre la zona tumoral.
•Agentes que pueden predecir cambios moleculares y prevenir que las células precancerosas se conviertan en malignas.
Así, el Instituto Nacional del Cáncer de Estados Unidos ha puesto en marcha un ambicioso programa basado en Nanobiotecnología cuyo objetivo principal es la erradicación del cáncer antes del año 2015 basado en un combinación de los cuatro puntos anteriores en una misma plataforma que podría incluso actuar en el interior del cuerpo humano. Aunque uno de los principales motores en el desarrollo de la nanobiotecnología es mejorar la diagnosis de enfermedades y su tratamiento, las oportunidades de esta rama de la Nanotecnología se extienden por igual a otros ámbitos, como al diseño de nuevos fármacos, el control medioambiental, la cosmética, las aplicaciones en energía, las aplicaciones electrónicas, etc. Por ejemplo, mejorar el entendimiento de los procesos naturales podría facilitar el desarrollo de fabricación a escala molecular bioinspirada de nuevos materiales que pudiera emplearse como chip electrónicos reemplazando a los actuales. Ya se está trabajando en la computación molecular basada en la capacidad del ADN para almacenar y procesar información consiguiendo una codificación de los datos en cadenas de ADN y utilizando técnicas de biología molecular para llevar a cabo operaciones lógicas y aritméticas. Un ordenador de ADN podría ser miles de veces más rápido que los actuales pero con un menor consumo energético. La investigación en computación con ADN in vitro e in vivo que se está realizando hoy en día nos está proporcionando información relevante acerca de las capacidades computacionales de los seres vivos.
•Dispositivos multifuncionales capaces de evitar las barreras biológicas para transportar múltiples agentes terapéuticos directamente a las células cancerígenas y a aquellos tejidos que juegan un papel crítico en el crecimiento y metástasis del cáncer.
•Sistemas que proporcionen información en tiempo real de los efectos terapéuticos y/o de la cirugía sobre la zona tumoral.
•Agentes que pueden predecir cambios moleculares y prevenir que las células precancerosas se conviertan en malignas.
Así, el Instituto Nacional del Cáncer de Estados Unidos ha puesto en marcha un ambicioso programa basado en Nanobiotecnología cuyo objetivo principal es la erradicación del cáncer antes del año 2015 basado en un combinación de los cuatro puntos anteriores en una misma plataforma que podría incluso actuar en el interior del cuerpo humano. Aunque uno de los principales motores en el desarrollo de la nanobiotecnología es mejorar la diagnosis de enfermedades y su tratamiento, las oportunidades de esta rama de la Nanotecnología se extienden por igual a otros ámbitos, como al diseño de nuevos fármacos, el control medioambiental, la cosmética, las aplicaciones en energía, las aplicaciones electrónicas, etc. Por ejemplo, mejorar el entendimiento de los procesos naturales podría facilitar el desarrollo de fabricación a escala molecular bioinspirada de nuevos materiales que pudiera emplearse como chip electrónicos reemplazando a los actuales. Ya se está trabajando en la computación molecular basada en la capacidad del ADN para almacenar y procesar información consiguiendo una codificación de los datos en cadenas de ADN y utilizando técnicas de biología molecular para llevar a cabo operaciones lógicas y aritméticas. Un ordenador de ADN podría ser miles de veces más rápido que los actuales pero con un menor consumo energético. La investigación en computación con ADN in vitro e in vivo que se está realizando hoy en día nos está proporcionando información relevante acerca de las capacidades computacionales de los seres vivos.
Nanomedicina
La Nanomedicina agrupa tres áreas principales: el nanodiagnóstico, la liberación controlada de fármacos y la medicina regenerativa. El nanodiagnóstico desarrolla sistemas de análisis y de imagen para detectar una enfermedad o un mal funcionamiento celular en los estadios más tempranos posibles. Los nanosistemas de liberación de fármacos transportan los medicamentos sólo a las células o zonas afectadas porque así el tratamiento será más efectivo y con menos efectos secundarios. La medicina regenerativa pretende reparar o reemplazar tejidos y órganos dañados aplicando herramientas nanobiotecnológicas. Además de estas áreas principales, otros grandes retos de la nanomedicina es desarrollar nanoherramientas para manipular células, individuales o en grupos de fenotipo común, mediante la interacción específica con los propios nanoobjetos naturales de las células (receptores, partes del citoesqueleto, orgánulos específicos, compartimentos nucleares.). Ya se están desarrollando nanopinzas y herramientas quirúrgicas de pequeño tamaño que permitirían localizar, destruir o reparar células dañadas.
Como muestra del interés que suscita la temática de la Nanomedicina, una de las primeras plataformas tecnológicas en ponerse en marcha cara al Séptimo Programa Marco de la Unión Europea ha sido la Plataforma Europea de Nanomedicina (www.cordis.lu/nanotechnology), agrupando a un gran número de las empresas (multinacionales y PYMES), centros de investigación y universidades que trabajan en esta temática dentro de la Unión Europea. Desde abril de 2005 funciona también la Plataforma Española de Nanomedicia (www.nanomedspain.net) que agrupa a las principales empresas y grupos de I+D trabajando en esta temática en nuestro país y que está integrada en la Plataforma Europea.
Nanosistemas de diagnostico y tratamiento
El objetivo del Nanodiagnóstico es identificar la aparición de una enfermedad en sus primeros estadios a nivel celular o molecular e idealmente al nivel de una sólo célula, mediante la utilización de nanopartículas o nanodispositivos (nanobiosensores, biochips de ADN, laboratorios-en-un-chip, nanopinzas, nanosondas...). De esta forma tendríamos una capacidad de respuesta más rápida para tratar las enfermedades y de reparar o recrecer tejidos y órganos humanos. Los nanosistemas se pueden aplicar in-vitro o in-vivo. En aplicaciones de diagnóstico in-vitro, los nanodispositivos son capaces de detectar con gran rapidez, precisión y sensibilidad la presencia de patógenos o defectos en el ADN a partir de muestras de fluidos corporales o de tejidos. En aplicaciones de diagnóstico in-vivo, se pueden desarrollar dispositivos biocompatibles que, por ejemplo, pueden penetrar en el cuerpo humano para identificar estadios iniciales de una enfermedad, identificar y cuantificar la presencia de una determinada molécula o de células cancerígenas, etc.
Maria Gabriela Medina Maldonado
C.I. 16779553
CRF
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