Nanotecnología

A través de un estudio sistemático de nanoestructuras, un grupo de investigación de la Universidad de Córdoba tratará de perfeccionar un sistema analítico de vanguardia para generar información química de calidad.

Las nanoestructuras de carbono han tenido una gran importancia en casi todas las áreas científicas desde su descubrimiento, desde los fullerenos, que son átomos de carbono utilizados para aplicaciones en Microelectrónica; hasta los nanotubos de carbono, estructuras descubiertas en 1991 que poseen un gran potencial de aplicación para muchos campos de la tecnología por su resistencia, interesantes propiedades eléctricas, estructurales y termales. Estas nuevas formas alotrópicas del carbono presentan unas excepcionales propiedades eléctricas, mecánicas y químicas que han permitido su aplicación como materiales semiconductores, componentes de sensores, chips y dispositivos ópticos. Este proyecto trata de consolidar una línea de investigación en el ámbito de la Química Analítica que tiene escasos antecedentes bibliográficos.

Un grupo de la Universidad de Córdoba, dirigido por Miguel Valcárcel, trabajará con las ya nombradas estructuras de carbono para generar información química de calidad. Según el proyecto, al que la Consejería de Innovación, Ciencia y Empresa ha asignado 230.000 euros, los objetivos principales son el desarrollo de sistemas eficaces y fiables para la caracterización y el análisis de nanoestruturas de carbono, tanto para el control de calidad, como de la contaminación en industrias nanotecnológicas. También fija como objetivos este grupo cordobés establecer la utilidad de nanotubos y fullerenos como herramientas en las que no se había aplicado antes esta tecnología, como por ejemplo en componentes de sensores ópticos o en procesos (bio)químicos de medida, para la obtención de información química de calidad y su aplicación industrial.

Para ello, los científicos llevarán a cabo un estudio sistemático de las diferentes nanoestructuras de carbono que existen en este momento, tanto para la aplicación en estudios químicos de laboratorio, como para herramientas de múltiples utilidades, por las propiedades ya mencionadas de las nanoestructuras.

El plan de trabajo del proyecto se divide en una serie de áreas, entre las que destacan el desarrollo de nuevas técnicas de purificación, caracterización y cuantificación de las nanoestructuras de carbono; la síntesis de nuevos derivados de fullerenos y nanotubos; la monitorización de la contaminación medioambiental en industrias nanotecnológicas, así como el empleo de las nanoestrucutras como material sorbente; el diseño de sensores; o el empleo de las nanoestructuras como fases estacionarias y pseudoestacionarias en cromatografía, que consiste en la separación de elementos de una mezcla. También estudiarán nuevas técnicas de electroforesis capilar, que es otro procedimiento de laboratorio para separar biomoléculas, así como el desarrollo de micro y nanosensores, etc.

puntera con amplias posibilidades de revolucionar muchas áreas científicas. Su proyección transversal implica la búsqueda de sinergias entre las mismas. Las interfaces permeables entre ellas son un elemento esencial para que la Humanidad reciba pronto los beneficios del progreso científico"

Un grupo de investigadores de Estados Unidos ha creado unas nanopartículas que, una vez inyectadas en un tumor maligno, pueden matar las células cancerígenas y dejar intactas las sanas. Por ahora el experimento sólo se ha realizado con ratones modificados genéticamente para expresar un tipo de cáncer, pero los resultados obtenidos han sido tan claros que sus autores confían en poder reproducirlos en humanos, dentro de dos años. De ser así, estas nanopartículas se convertirían en una especie de caballo de Troya que destruiría selectivamente células cancerígenas.

El equipo, liderado por el doctor Omid C. Farokhzad, profesor de Medicina de la Universidad de Harvard y del Brigham and Women's Hospital de Boston, llevó a cabo estos experimentos con ratones genéticamente modificados para que presentaran un cáncer de próstata como el de los humanos. El grupo de ratones al que se le inyectaron nanopartículas que contenían dosis letales de quimioterapia (del fármaco docetaxel) vio cómo el tumor desaparecía por completo o se reducía significativamente. Los animales del grupo que no recibió esta inyección acabaron muriendo o con un tumor visiblemente más grande. Los resultados del estudio aparecieron el pasado mes de abril en Proceedings of the National Academy of Sciences.

"Estas partículas están especialmente diseñadas para que se disuelvan dentro de las células cancerígenas y liberen el fármaco todo de una vez o bien de manera prolongada en el tiempo, según convenga", explicó a este diario Farokhzad. Para que dichas partículas no actúen en zonas indeseadas, se acompañaron de moléculas llamadas aptameros (pequeños fragmentos de ADN) para que reconocieran la superficie de las células cancerígenas y se adhirieran a ellas.

Además, las minúsculas partículas contienen unas moléculas especiales que hacen que no sean rechazadas por las células que vigilan que no entren cuerpos extraños en el organismo.

Las partículas creadas por Farokhzad junto con otros investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) miden unos 150 nanómetros [un nanómetro equivale a la milmillonésima parte de un metro]. "Unos mil nanómetros juntos tendrían el mismo ancho que un pelo humano", explica.

La tecnología usada es muy amplia y no sólo está diseñada para combatir el cáncer de próstata. "Las partículas se pueden cargar con cualquier tipo de fármaco y su superficie se puede modificar de forma que sea eficaz en otras enfermedades", añade.

Las nanopartículas, además, también podrían reducir o eliminar los molestos efectos secundarios de la quimioterapia, como la caída de pelo y las náuseas. "En los ratones observamos que estas partículas fueron mucho menos tóxicas que la quimioterapia tradicional y esperamos que esto también sea así con los humanos", apunta Farokhzad, quien subraya la importancia de llevar a cabo estos estudios de la manera más responsable y cautelar posible.

La nanotecnología ha levantado recelos en ciertos sectores por su potencial toxicidad. Por ello, en esta investigación se utilizaron materiales aprobados por la FDA (la agencia estadounidense que autoriza los alimentos y los medicamentos) para asegurarse de que fueran seguros y no perjudiciales para la salud.

De confirmarse estos resultados en humanos, se habrá resuelto uno de los principales problemas con los que se había encontrado la aplicación de la nanotecnología en medicina hasta ahora: conseguir que las nanopartículas reconozcan sus células de destino y no dañen las células defensivas del organismo.

Otra técnica, también desarrollada en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT), podría ayudar a detectar tumores cancerígenos durante las primeras etapas de su crecimiento. Esta novedosa metodología también utiliza la nanomedicina y permite que un grupo de nanopartículas se agrupen dentro de estos tumores y creen una señal magnética suficiente para que una resonancia magnética las pueda detectar.

En este caso se inyectan nanopartículas hechas de óxido de hierro en la sangre y se deja que penetren en los tumores. Una vez dentro, las partículas están diseñadas para que se agrupen y todas juntas desprendan una señal magnética más potente. "Esta técnica nos permitiría detectar de forma no invasiva la zona donde las células cancerígenas se multiplican más rápidamente", explica Sangeeta N. Bhatia, profesora de Harvard y del MIT.

La técnica descrita en el estudio, que se publica en la edición de mayo de Angewandte Chemie International Edition, está en fase de ser probada en animales y de momento se centrará en la detección del cáncer de mama. Sin embargo, Bhatia señala que ésta se podría aplicar en distintos tipos de cáncer y que también podría ayudar a entender mejor por qué una masa corporal benigna se convierte en un tumor cancerígeno.

Científicos financiados por la NASA desarrollan naves microscópicas, capaces de internarse en el cuerpo humano y reparar problemas – célula por célula

Es como una escena de la película "El Viaje Fantástico". Una pequeña nave -- mucho más pequeña que una célula humana -- dando tumbos a través de la corriente sanguínea de un paciente, a la caza de células enfermas para penetrar sus membranas e inyectarles precisas dosis de medicinas.

Investigadores financiados por una donación de la NASA, comenzaron recientemente un proyecto para hacer realidad estos escenarios futuristas. Si tienen éxito, las "naves" desarrolladas por los científicos -- llamadas nanopartículas o nanocápsulas -- podrían ayudar a hacer realidad otra historia de ciencia ficción: la exploración humana de Marte y la permanencia a largo plazo en el espacio por los humanos.

Aunque las aplicaciones espaciales serán el principal objetivo de los investigadores, las nanopartículas tienen también un gran potencial para muchos campos de la medicina, especialmente para el tratamiento del cáncer. La seductora promesa de entregar venenos capaces de matar tumores, directamente a las células cancerosas, evitando así los devastadores efectos secundarios de la quimioterapia, ha generado un gran interés en la comunidad médica por las nanopartículas.

"El objetivo de estas nanopartículas es introducir un nuevo tipo de terapia -- de penetrar en células individuales... y repararlas; o, si hay mucho daño, deshacerse de ellas", explica James Leary, de la Rama Médica de la Universidad de Texas. Leary es el encargado de la investigación, junto con Stephen Lloyd y Massod Motamedi también de la Universida de Texas; Nicholas Kotov de la Universidad Estatal de Oklahoma; y Yuri Lvov de la Universidad Tecnológica de Luisiana.

Este proyecto se orienta hacia un problema relacionado con el cáncer -- las altas dosis de radiación (radioactividad) que experimentan los astronautas en el espacio, especialmente en los viajes a la Luna o a Marte, que exigen abandonar el paraguas protector del gigantesco campo magnético que rodea a la Tierra.

Ni siquiera los materiales más avanzados, utilizados para protegerse de la radiación en las naves espaciales, son capaces de aislar completamente a los astronautas de la radiación de alta energía del espacio. Estos fotones y partículas atraviesan sus cuerpos como balas infinitesimales, destruyendo moléculas a su paso. Cuando el ADN sufre daños por esta radiación, las células se comportan erráticamente, ocasionalmente generando cánceres.

"Este es un problema importante", dice Leary. "Si los humanos van a vivir en el espacio, tenemos que buscar cómo protegerlos mejor de la radiación".

Derecha: La radiación cósmica de alta energía puede producir daños en el ADN y hacer que las células se comporten erráticamente. Imagen cortesía de NASA/OBPR.

Debido a que los escudos contra la radiación posiblemente no puedan resolver totalmente el problema, los científicos deben encontrar alguna otra forma de hacer a los astronautas más resistentes a los daños de la radiación.

Las nanopartículas ofrecen una solución elegante. Estas cápsulas destinadas a entregar medicinas son minúsculas -- de sólo algunos cientos de nanómetros, lo que es menor que una bacteria y más pequeña aún que la longitud de onda de la luz visible. (Un nanómetro es una millonésima de un milímetro).

Una simple inyección con una aguja hipodérmica puede liberar miles o millones de estas cápsulas dentro del torrente sanguíneo de una persona. Una vez allí, las nanopartículas aprovecharán el sistema de señalización celular natural del cuerpo, para encontrar las células afectadas por la radiación.

Los billones de células del cuerpo humano se identifican y comunican entre sí a través de moléculas complejas incrustadas en sus membranas exteriores. Estas moléculas actúan como "señales" químicas para comunicarse con otras células o como "porteros" químicos que controlan la entrada a la célula de moléculas existentes en el torrente sanguíneo (tales como las hormonas).

Cuando las células son dañadas por la radiación, producen marcadores de una clase particular de proteínas llamadas "CD-95" y los colocan en su superficie exterior.

"Es la forma en la que una célula habla a otra célula y le dice, 'Oye, Estoy herida'", dice Leary.

Implantando moléculas en la superficie exterior de las nanopartículas que se adhieren e los marcadores CD-95, los científicos pueden "programar" las nanopartículas para que busquen las células dañadas.

Si el daño causado por la radiación es muy grande, las nanopartículas podrían entrar en las células dañadas y liberar enzimas que inicien la "secuencia auto-destructiva" de la célula, llamada apoptosis. Si el daño no es muy extenso, pueden soltar enzimas reparadoras de ADN para intentar arreglar la célula y hacer que vuelva a funcionar normalmente.

Los humanos y otros organismos tienen enzimas naturales que protegen el ADN y reparan errores, pero algunas hacen su trabajo mejor que otras. "Hay organismos que pueden [absorber altas] dosis de radiación sin mayores efectos nocivos," dice Leary. Estudiando estas especies, los científicos ya saben como preparar enzimas reparadoras de ADN que podrían ser transportadas por nanopartículas.

El equipo de Leary estudia también la manera de adherir moléculas fluorescentes a las nanopartículas. Estas podrían ser diseñadas para iluminar ciertas etapas del proceso, empleando incluso diferentes colores para las diferentes etapas. Estas marcas fluorescentes serían una forma para monitorear el trabajo de las nanopartículas dentro del cuerpo.

"Para establecer el nivel del daño causado por la radiación, un astronauta se pondría algo así como un par de anteojos, pero estos anteojos serían capaces de mirar dentro de la retina", explica Leary. "Utilizando el flujo de nanopartículas [fluorescentes] a través de las células de la retina como un instrumento de análisis in vivo". (In vivo significa "dentro del organismo".)

Ya existen tecnologías semejantes -- se utilizan para medir las variaciones en el flujo sanguíneo de la retina debido a varias enfermedades. La NASA está interesada en estos métodos no-invasivos para controlar la salud, ya que los astronautas deberían posiblemente servir como sus propios médicos en misiones de larga duración.

"Eventualmente, los astronautas podrían utilizar estos anteojos para determinar lo que ocurre en su torrente sanguíneo. Y si es que necesitan tratamiento, tienen una jeringa hipodérmica o algo semejante con las nanopartículas apropiadas para el trabajo de reparación", dice.

Las nanopartículas son una forma radicalmente nueva de biosensores y suministro de medicinas, y como tal, la tecnología necesitará aun de muchos años más para llegar a su madurez y ser confiable. Pero no es una fantasía descabellada. Todos los elementos de esta idea ya han sido demostrados por separado -- las enzimas reparadoras de ADN, las nanopartículas, las etiquetas fluorescentes. El truco es hacer que todos ellos trabajen juntos en forma confiable.

"Este es un problema muy difícil, y no seremos capaces de hacerlo todo en tres años", que es la duración del financiamiento. "Aquí tratamos de desarrollar una ciencia muy innovativa -- es algo así como un salto", dice Leary. "Pero eso es lo que hace que este proyecto sea tan divertido

Crean nanopartículas que, introducidas en la sangre, reparan las neuronas

Científicos norteramericanos y japoneses abren una nueva era en el tratamiento de las enfermedades neurológicasLa nanotecnología ha dado un significativo paso en sus aplicaciones médicas después de que un equipo nipo-norteamericano desarrollara nanotubos de platino, 100 veces más delgados que el cabello humano, que pueden introducirse en las venas y permitir a los médicos intervenir en el cerebro de una persona. Estos nanocaptores permitirán asimismo un mayor conocimiento de las interacciones entre neuronas, así como abrirán el camino a nuevas terapias para el tratamiento de enfermedades neurológicas y tumores cerebrales. La nanotecnología promete mejorar asimismo la detección precoz del cáncer y el suministro de medicamentos desde dentro del organismo. A más largo plazo, nanomáquinas pueden recorrer nuestro cuerpo limpiando las arterias, regulando los niveles de azúcar, colesterol u hormonas o apoyando al sistema inmunológico. Incluso podría llegar a conseguir la inmortalidad si, como prevén algunos expertos, se descubren nanodispositivos que puedan modificar la estructura genética y celular del ser humano. Por Eduardo Martínez.

Un equipo de investigadores japoneses y norteamericanos ha desarrollado una técnica que consiste en introducir nanopartículas en los vasos sanguíneos con la finalidad de permitir a los médicos intervenir directamente en diferentes células del cerebro y realizar tratamientos inéditos para enfermedades neurológicas como el Parkinson, informa al respecto la National Science Foundation en un comunicado. El trabajo donde se relata esta investigación está publicado en The Journal of Nanoparticle Research.
La técnica desarrollada por este equipo consiste en introducir en la sangre nanotubos (redes de átomos de carbono dispuestos de forma tubular) de platino que son 100 veces más delgados que un cabello humano. Estos nanotubos pueden viajar por los vasos sanguíneos más pequeños del cuerpo hasta llegar a cualquier parte del cerebro sin por ello afectar al flujo normal de la sangre o a los intercambios gaseosos.
Aunque desde hace tiempo se emplean las arterias para introducir catéteres (sondas), en la actualidad se pretende utilizar un paquete de nanotubos para intervenir en el cerebro. Cada uno de estos nanotubos se utilizaría para medir la actividad eléctrica de una célula nerviosa, lo que permitirá un conocimiento mucho más exhaustivo del funcionamiento del cerebro que el proporcionado por otras tecnologías, como la tomografía por emisión de positrones o la resonancia magnética nuclear.
La primera aplicación de los nanocaptores desarrollados por este equipo nipo-norteamericano será la de comprender mejor las interacciones entre neuronas, así como abrir el camino a nuevas formas de conocimiento del cerebro que permitan en el futuro terapias mucho más eficaces para el tratamiento de enfermedades neurológicas y tumores cerebrales.
La tecnología es totalmente indolora y no invasiva, pero necesita perfeccionarse todavía para convertirse en una herramienta terapéutica, ya que será necesario aumentar la precisión en el manejo de estos nanotubos en la sangre cuando llegan al sistema vascular del cerebro.
Los artífices de esta proeza consideran que los nanotubos de platino podrían ser sustituidos por nanopolímeros conductores, susceptibles de ser guiados por campos eléctricos a través del sistema circulatorio cerebral. Estos nanopolimeros son todavía 20 o 30 veces más pequeños que los de platino y, además, son biodegradables.

No es la primera vez que la nanotecnología encuentra aplicaciones médicas, ni que los nano polímeros resuelven problemas de salud. Un equipo de investigadores de la Universidad de Tokyo anunció a finales de agosto haber creado una nanoestructura autoensamblable que se dirige a células humanas cancerígenas y emite moléculas de medicamentos en respuesta a los cambios biológicos que provocan muchos tipos de cáncer. El trabajo ha sido difundido en la revista especializada Molecular BioSystems.
El polímero desarrollado por este equipo se autoensambla en nanopartículas sensibles que, una vez recogidas por las células cancerígenas, desprenden el medicamento cuando detectan el momento más oportuno, por lo que estas nanopartículas consiguen niveles de medicación intercelular más altos que los obtenidos por tratamientos convencionales.
Por otro lado, el pasado junio, la revista Cancer Research informaba a su vez del uso de nanopartículas para combatir las células cancerígenas. Asimismo, el pasado enero Technology Review explicaba que la nanotecnología permitirá dentro de muy poco detectar el cáncer mucho antes de lo que lo consiguen los actuales sistemas de observación médica.
Señalaba al respecto que nanocables de silicona, cada uno fabricado para detectar una proteína específica relacionada con el cáncer, podría detectar los cambios más sutiles en la química corporal del ser humano cuando aparece un cáncer, permitiendo así la detección de la enfermedad mucho tiempo antes de lo que lo consiguen las actuales técnicas de observación. Estos nanosensores podrían buscar cientos, o incluso miles, de biomoléculas diferentes en una única gota de sangre.

NanoMarkets publicó en dos estudios sobre el papel de la nanotecnología en el sector farmacéutico, concretamente en la creación de nuevos tratamientos y en los sistemas de administración de medicamentos.
El primer estudio analiza el impacto que varias nuevas nanotecnologías tendrán sobre el proceso de descubrimientos de nuevas medicinas. Las tecnologías tratadas en este estudio incluyen microscopios de fuerza atómica, microscopios ópticos de campo cercano (Near-field Scanning), resonancia de plasmones superficiales, epectrometria con nanotecnología, nano litografía "Dip-pen", nano arrays, puntos quantum.
El segundo trabajo estudia seis tipos de sistemas de administración de medicinas sobre los que se prevé que la nanotecnología tenga un gran impacto. Los seis sistemas analizados por este segundo estudio son los siguientes: sistemas inyectables, sistemas de implantación, sistemas por vía oral, sistemas topicales, sistemas transdermales y eliminación de toxinas.
En ambos estudios se pone de manifiesto que la nanotecnología aportará grandes mejoras a todos los sistemas de administración de medicamentos, incluyendo sistemas con menos efectos tóxicos para los pacientes, desarrollo de sistemas menos costosos que los actuales, mayor disponibilidad y mayor durabilidad de medicamentos a nivel mundial.
En este sentido se prevé que los sistemas de administración de medicinas desarrollados con la nanotecnología aporten grandes mejoras en el tratamiento de enfermedades, principalmente en lo que se refiere al cáncer, la diabetes y neurológicas.
Más ampliamente, las aplicaciones de la nanotecnología se considera que cambiarán la medicina, las intervenciones quirúrgicas y los sistemas de prevención de las enfermedades. Incluso podría llegar a conseguir la inmortalidad si, como prevén algunos expertos, se descubren nanodispositivos que puedan modificar la estructura genética y celular del ser humano.
Más plausible se considera el desarrollo de diversas nanomáquinas que recorran nuestro cuerpo limpiando las arterias, regulando los niveles de azúcar, colesterol u hormonas o apoyando al sistema inmune.

"La producción de magnetos del tamaño de una millonésima de milímetro podrá tener aplicaciones que van desde el tratamiento del cáncer y la enfermedad de Altzheimer..."

El magnetismo, fenómeno físico de atracción de polos opuestos, utilizado vastamente en la industria electrónica, hoy es la estrella de la investigación cuyo objetivo es generar magnetos moleculares aplicando la nanotecnología. Este es un método científico que recién se está desarrollando y que, por su complejidad, requiere un trabajo interdisciplinario que abarca desde biólogos hasta ingenieros. Su principio básico es el trabajo con unidades llamadas nano, medida que corresponde a la millonésima parte de un milímetro.

Precisamente, pensando en futuras aplicaciones, las nano partículas magnéticas es una de las líneas de investigación que abordará el Centro para la Investigación Interdisciplinaria Avanzada en Ciencias de los Materiales (CIMAT) donde la Doctora en Química, Evgenia Spodine, dirige el grupo de científicos que trabajan en la obtención de compuestos polimetálicos con propiedades magnéticas, campo de investigación conocido como magnetoquímica.

Los magnetos moleculares pueden tener una infinidad de usos, algunos tan importantes como los relacionados con el tratamiento del cáncer. La profesora Spodine señala que la denominada nanomedicina busca generar magnetos moleculares tan diminutos que sean capaces de penetrar en la célula humana y constituirse, dentro de ella, en un agente activo de destrucción de células cancerígenas. Si ello se logra, podría cambiar la vida de millones de personas que sufren de este mal. Otro uso médico no menos importante es la posibilidad de tratamiento para la enfermedad de Altzheimer, dirigiendo las nanopartículas metálicas magnéticas al lugar del organismo donde se las necesite. Asimismo, otra aplicación de los magnetos moleculares es su utilización para producir discos duros cada vez más pequeños, para computadores.

El grupo de trabajo del CIMAT de materiales inorgánicos que dirige la profesora Spodine, está compuesto por tres profesores y ocho alumnos de pre y post grado que investigan como generar magnetos moleculares más livianos, con metales de más fácil producción y menor costo. Ello se consigue utilizando combinaciones de metales no tradicionales, que permitan reproducir las características que se necesitan y disminuir el tamaño de los objetos.

Desde siempre, el imán por excelencia ha sido el óxido de hierro -que contiene gran cantidad de átomos de dicho metal-, pero se busca conseguir sus mismas propiedades utilizando metales enlazados por moléculas orgánicas, por lo cual serán más livianos. Pero, además del peso, el costo de los materiales también influye de importante manera, debido a que se utilizan actualmente aleaciones de samario, un metal de alto costo, por lo que se investiga como sustituirlo sin que se afecten las propiedades.

preponderante en el grupo de la Doctora Spodine. Este metal, más barato que los usados tradicionalmente, permite diversas aplicaciones más competitivas.

El CIMAT, administrado por la Universidad de Chile y dirigido por Fernando Lund, Doctor en Física por la Universidad de Princeton (USA) y Premio Nacional de Ciencias Exactas en el año 2001, está orientado a la investigación científica avanzada y a la formación de estudiantes de postgrado. Una de sus principales características es ser multidisciplinario, concurriendo en él académicos de las Universidades de Chile, Católica, de Santiago y del Bío Bío.

Su campo de investigación responde a la necesidad de contar con materiales que sean cada vez más fáciles y baratos de fabricar, de mayor durabilidad, aptos para funciones específicas y amistosos con el medio ambiente.