Aplicaciones de las nanopartículas en biología y medicina

Ingeniería de tejidos

La superficie natural de los huesos suele contener características de unos 100 nm de diámetro. Si la superficie de un implante óseo artificial se dejara lisa, el cuerpo trataría de rechazarlo. Debido a esa superficie lisa es probable que se produzca un tejido fibroso que cubra la superficie del implante. Esta capa reduce el contacto hueso-implante, lo que puede provocar el aflojamiento del implante y una mayor inflamación. Se ha demostrado que creando características de tamaño nanométrico en la superficie de la prótesis de cadera o rodilla se podrían reducir las posibilidades de rechazo, así como estimular la producción de osteoblastos. Los osteoblastos son las células responsables del crecimiento de la matriz ósea y se encuentran en la superficie de avance del hueso en desarrollo.

El efecto se demostró con materiales poliméricos, cerámicos y, más recientemente, metálicos. Más del 90% de las células óseas humanas en suspensión se adhirieron a la superficie metálica nanoestructurada, pero sólo el 50% en la muestra de control. En definitiva, estos hallazgos permitirían diseñar prótesis de cadera o rodilla más duraderas y reducir las posibilidades de que el implante se afloje.

El titanio es un conocido material de reparación ósea ampliamente utilizado en ortopedia y odontología. Tiene una gran resistencia a la fractura, ductilidad y relación peso-resistencia. Por desgracia, adolece de falta de bioactividad, ya que no favorece la adhesión y el crecimiento de las células. Se sabe que los recubrimientos de apatita son bioactivos y se adhieren al hueso. Por ello, en el pasado se utilizaron varias técnicas para producir un recubrimiento de apatita sobre el titanio. Estos recubrimientos adolecen de falta de uniformidad de espesor, escasa adhesión y baja resistencia mecánica. Además, se requiere una estructura porosa estable para soportar el transporte de nutrientes a través del crecimiento celular.

Se demostró que el uso de un enfoque biomimético – un crecimiento lento de la película de apatita nanoestructurada a partir del fluido corporal simulado – dio lugar a la formación de una capa nanoporosa fuertemente adherente y uniforme . Se comprobó que la capa estaba formada por cristalitos de 60 nm, y que poseía una estructura nanoporosa estable y bioactividad.

Un hueso real es un material nanocompuesto, compuesto por cristalitos de hidroxiapatita en la matriz orgánica, que está compuesta principalmente por colágeno. Gracias a ello, el hueso es mecánicamente resistente y, al mismo tiempo, plástico, por lo que puede recuperarse de un daño mecánico. El mecanismo real a nanoescala que conduce a esta útil combinación de propiedades sigue siendo objeto de debate.

Se preparó un material híbrido artificial a partir de nanopartículas cerámicas de 15-18 nm y copolímero de poli (metilmetacrilato). Utilizando el enfoque de la tribología, se demostró un comportamiento viscoelástico (curación) de los dientes humanos. Un material híbrido investigado, depositado como revestimiento en la superficie del diente, mejoró la resistencia a los arañazos y tuvo un comportamiento de curación similar al del diente.

Terapia contra el cáncer

La terapia fotodinámica contra el cáncer se basa en la destrucción de las células cancerosas mediante oxígeno atómico generado por láser, que es citotóxico. Las células cancerosas absorben una mayor cantidad de un colorante especial que se utiliza para generar el oxígeno atómico en comparación con un tejido sano. Por lo tanto, sólo se destruyen las células cancerosas cuando se exponen a la radiación láser. Por desgracia, las moléculas de colorante restantes migran a la piel y los ojos y hacen que el paciente sea muy sensible a la exposición a la luz del día. Este efecto puede durar hasta seis semanas.

Para evitar este efecto secundario, se encerró la versión hidrofóbica de la molécula de tinte dentro de una nanopartícula porosa . El colorante quedó atrapado dentro de la nanopartícula de Ormosil y no se extendió a otras partes del cuerpo. Al mismo tiempo, su capacidad de generar oxígeno no se vio afectada y el tamaño de los poros, de aproximadamente 1 nm, permitió que el oxígeno se difundiera libremente.

Codificación óptica multicolor para ensayos biológicos

La creciente investigación en proteómica y genómica genera un número cada vez mayor de datos de secuencias y requiere el desarrollo de tecnologías de cribado de alto rendimiento. Siendo realistas, es probable que las diversas tecnologías de arrays que se utilizan actualmente en el análisis paralelo alcancen la saturación cuando el número de elementos de arrays supere varios millones. Un enfoque tridimensional, basado en el «código de barras» óptico de las partículas de polímero en solución, sólo está limitado por el número de etiquetas únicas que se pueden producir y detectar de forma fiable.

Los puntos cuánticos simples de semiconductores compuestos se utilizaron con éxito para sustituir a los colorantes orgánicos en varias aplicaciones de bioetiquetado. Esta idea se ha llevado un paso más allá combinando puntos cuánticos de diferentes tamaños y, por tanto, de diferentes colores fluorescentes, y combinándolos en microperlas poliméricas . Se ha logrado un control preciso de las proporciones de los puntos cuánticos. La selección de nanopartículas utilizada en estos experimentos tenía 6 colores diferentes y 10 intensidades. Esto es suficiente para codificar más de un millón de combinaciones. La uniformidad y reproducibilidad de las microesferas fue alta, lo que permitió una precisión de identificación de las microesferas del 99,99%.

Manipulación de células y biomoléculas

Las nanopartículas magnéticas funcionalizadas han encontrado muchas aplicaciones, incluyendo la separación de células y el sondeo; estas y otras aplicaciones se discuten en una revisión reciente . La mayoría de las partículas magnéticas estudiadas hasta ahora son esféricas, lo que limita un poco las posibilidades de hacer que estas nanopartículas sean multifuncionales. Se pueden crear nanopartículas alternativas de forma cilíndrica empleando la electrodeposición de metales en una plantilla de alúmina nanoporosa . Dependiendo de las propiedades de la plantilla, el radio de los nanocilindros puede seleccionarse en el rango de 5 a 500 nm, mientras que su longitud puede llegar a ser de 60 μm. Depositando secuencialmente varios espesores de diferentes metales, la estructura y las propiedades magnéticas de los cilindros individuales pueden ajustarse ampliamente.

Como la química de superficie para la funcionalización de las superficies metálicas está bien desarrollada, se pueden unir selectivamente diferentes ligandos a diferentes segmentos. Por ejemplo, las porfirinas con enlaces tiol o carboxilo se unieron simultáneamente a los segmentos de oro o níquel respectivamente. Así, es posible producir nanocables magnéticos con partes fluorescentes espacialmente segregadas. Además, debido a las grandes relaciones de aspecto, la magnetización residual de estos nanohilos puede ser alta. De ahí que se pueda utilizar un campo magnético más débil para accionarlos. Se ha demostrado que el autoensamblaje de nanocables magnéticos en suspensión puede ser controlado por campos magnéticos externos débiles. Esto permitiría potencialmente controlar el ensamblaje de las células en diferentes formas. Además, un campo magnético externo puede combinarse con un patrón magnético definido litográficamente («atrapamiento magnético»).

Detección de proteínas

Las proteínas son una parte importante del lenguaje, la maquinaria y la estructura de la célula, y comprender sus funcionalidades es extremadamente importante para seguir avanzando en el bienestar humano. Las nanopartículas de oro se utilizan ampliamente en inmunohistoquímica para identificar la interacción proteína-proteína. Sin embargo, la capacidad de detección simultánea múltiple de esta técnica es bastante limitada. La espectroscopia de dispersión Raman mejorada en superficie es una técnica bien establecida para la detección e identificación de moléculas de colorante individuales. Combinando ambos métodos en una única sonda de nanopartículas se pueden mejorar drásticamente las capacidades de multiplexación de las sondas de proteínas. El grupo del profesor Mirkin ha diseñado una sofisticada sonda multifuncional construida en torno a una nanopartícula de oro de 13 nm. Las nanopartículas están recubiertas con oligonucleótidos hidrofílicos que contienen un colorante Raman en uno de sus extremos y están rematadas con un elemento de reconocimiento de moléculas pequeñas (por ejemplo, biotina). Además, esta molécula es catalíticamente activa y se recubrirá con plata en la solución de Ag(I) e hidroquinona. Una vez que la sonda está unida a una pequeña molécula o a un antígeno que debe detectar, el sustrato se expone a la solución de plata e hidroquinona. Se produce un recubrimiento de plata cerca del colorante Raman, lo que permite detectar la firma del colorante con un microscopio Raman estándar. Además de poder reconocer pequeñas moléculas, esta sonda puede modificarse para que contenga anticuerpos en la superficie para reconocer proteínas. Cuando se ha probado en el formato de matriz de proteínas contra moléculas pequeñas y proteínas, la sonda no ha mostrado ninguna reactividad cruzada.

Exploración comercial

A continuación se enumeran algunas de las empresas que participan en el desarrollo y la comercialización de nanomateriales en aplicaciones biológicas y médicas (véase la Tabla 1). La mayoría de las empresas son pequeños spinouts recientes de diversas instituciones de investigación. Aunque no es exhaustiva, se trata de una selección representativa que refleja las tendencias industriales actuales. La mayoría de las empresas desarrollan aplicaciones farmacéuticas, principalmente para la administración de fármacos. Varias empresas explotan los efectos del tamaño cuántico en los nanocristales semiconductores para etiquetar biomoléculas, o utilizan nanopartículas de oro bioconjugadas para etiquetar diversas partes celulares. Varias empresas están aplicando materiales nanocerámicos a la ingeniería de tejidos y la ortopedia.

La mayoría de las empresas farmacéuticas más importantes y consolidadas tienen programas de investigación interna sobre la administración de fármacos que se basan en formulaciones o dispersiones que contienen componentes de tamaño nanométrico. La plata coloidal se utiliza ampliamente en formulaciones y apósitos antimicrobianos. La alta reactividad de las nanopartículas de titanio, por sí solas o iluminadas con luz ultravioleta, también se utiliza con fines bactericidas en filtros. Las propiedades catalíticas mejoradas de las superficies de las nanocerámicas o las de metales nobles como el platino se utilizan para destruir toxinas peligrosas y otros materiales orgánicos peligrosos.

Direcciones futuras

En la actualidad, la mayoría de las aplicaciones comerciales de las nanopartículas en medicina están orientadas a la administración de fármacos. En las biociencias, las nanopartículas están sustituyendo a los colorantes orgánicos en las aplicaciones que requieren una alta fotoestabilidad, así como una gran capacidad de multiplexación. Hay algunos avances en la dirección y el control a distancia de las funciones de las nanosondas, por ejemplo la conducción de nanopartículas magnéticas hasta el tumor y su posterior liberación de la carga farmacológica o el simple calentamiento para destruir el tejido circundante. La principal tendencia en el desarrollo de los nanomateriales es hacerlos multifuncionales y controlables por señales externas o por el entorno local, convirtiéndolos así esencialmente en nanodispositivos.