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Nanomedicina

La nanomedicina o nanoterapia [ 1 ] es la aplicación médica de la nanotecnología [ 2 ] , que traduce los conocimientos históricos de la nanociencia [ 3 ] y las invenciones en ap...

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La nanomedicina o nanoterapia [ 1 ] es la aplicación médica de la nanotecnología [ 2 ] , que traduce los conocimientos históricos de la nanociencia [ 3 ] y las invenciones en aplicaciones prácticas. La nanomedicina abarca desde las aplicaciones médicas de nanomateriales y dispositivos biológicos hasta biosensores nanoelectrónicos e incluso posibles aplicaciones futuras de la nanotecnología molecular , como las máquinas biológicas . Los problemas actuales de la nanomedicina implican comprender los problemas relacionados con la toxicidad y el impacto ambiental de los materiales a nanoescala (materiales cuya estructura se encuentra en la escala de nanómetros, es decir, milmillonésimas de metro ) [ 4 ] [ 5 ] .

Un ribosoma es una máquina biológica basada en la dinámica de dominios proteicos a nanoescala , lo que llevó a Richard Feynman a sugerir una aplicación médica para la nanotecnología. Estos movimientos solo pueden observarse actualmente mediante espectroscopia de eco de espín de neutrones .

Se pueden añadir funcionalidades a los nanomateriales mediante su interacción con moléculas o estructuras biológicas. El tamaño de los nanomateriales es similar al de la mayoría de las moléculas y estructuras biológicas; por lo tanto, pueden ser útiles tanto para la investigación biomédica in vivo como in vitro, así como para diversas aplicaciones. Hasta la fecha, la integración de nanomateriales con la biología ha propiciado el desarrollo de dispositivos de diagnóstico, agentes de contraste, herramientas analíticas, aplicaciones de fisioterapia y sistemas de administración de fármacos.

La nanomedicina busca ofrecer un valioso conjunto de herramientas de investigación y dispositivos clínicamente útiles en un futuro próximo. [ 6 ] [ 7 ] La Iniciativa Nacional de Nanotecnología prevé nuevas aplicaciones comerciales en la industria farmacéutica que pueden incluir sistemas avanzados de administración de fármacos, nuevas terapias e imágenes in vivo . [ 8 ] La investigación en nanomedicina recibe financiación del programa Fondo Común de los Institutos Nacionales de Salud de EE. UU. , que apoya cuatro centros de desarrollo de nanomedicina. [ 9 ] El objetivo de financiar esta nueva forma de ciencia es desarrollar aún más los mecanismos biológicos, bioquímicos y biofísicos de los tejidos vivos. [ 9 ] Cada vez más empresas médicas y farmacéuticas se involucran en la investigación y los medicamentos nanomédicos. Entre ellas se encuentran Bristol-Myers Squibb, que se centra en sistemas de administración de fármacos para enfermedades inmunológicas y fibróticas; Moderna, conocida por su vacuna contra la COVID-19 y su trabajo en terapias de ARNm; y Nanobiotix, una empresa que se centra en el cáncer y que actualmente tiene un fármaco en fase de prueba que aumenta el efecto de la radiación en las células objetivo. Otras empresas incluyen Generation Bio, especializada en medicina genética y que ha desarrollado la nanopartícula lipídica dirigida a células, y Jazz Pharmaceuticals, que desarrolló Vyxeos, un fármaco para tratar la leucemia mieloide aguda, y se centra en el cáncer y la neurociencia. Cytiva es una empresa especializada en la producción de sistemas de administración de medicamentos genómicos no virales, incluidas vacunas de ARNm y otras terapias que utilizan ácidos nucleicos, y Ratiopharm es conocida por fabricar Pazenir, un fármaco para diversos tipos de cáncer. Finalmente, Pacira se especializa en el tratamiento del dolor y es conocida por producir ZILRETTA para el dolor de rodilla por osteoartritis, el primer tratamiento sin opioides. [ 10 ]

Las ventas de nanomedicina alcanzaron los 16 mil millones de dólares en 2015, con una inversión mínima de 3.8 mil millones de dólares anuales en I+D de nanotecnología. La financiación global para la nanotecnología emergente aumentó un 45% anual en los últimos años, con ventas de productos que superaron el billón de dólares en 2013. [ 11 ] En 2023, el mercado global estaba valorado en 189.55 mil millones de dólares y se prevé que supere los 500 mil millones de dólares en los próximos diez años. [ 10 ] A medida que la industria de la nanomedicina continúa creciendo, se espera que tenga un impacto significativo en la economía.

Administración de medicamentos

Las nanopartículas (arriba) , los liposomas (en el medio) y los dendrímeros (abajo) son algunos de los nanomateriales que se están investigando para su uso en nanomedicina.

La nanotecnología ha brindado la posibilidad de administrar fármacos a células específicas mediante nanopartículas. [ 12 ] [ 13 ] Este uso de sistemas de administración de fármacos fue propuesto por primera vez por Gregory Gregoriadis en 1974, quien describió los liposomas como un sistema de administración de fármacos para quimioterapia. [ 14 ] El consumo total de fármacos y los efectos secundarios pueden reducirse significativamente al depositar el agente farmacéutico activo solo en la región enferma y en una dosis no mayor a la necesaria. La administración dirigida de fármacos tiene como objetivo reducir los efectos secundarios de los fármacos, a la vez que disminuye el consumo y los costos del tratamiento. Además, la administración dirigida de fármacos reduce los efectos secundarios de los fármacos crudos o de origen natural al minimizar la exposición no deseada a las células sanas. La administración de fármacos se centra en maximizar la biodisponibilidad tanto en lugares específicos del cuerpo como durante un período de tiempo. Esto puede lograrse potencialmente mediante la focalización molecular con dispositivos nanoingenierizados. [ 15 ] [ 16 ] Una ventaja de usar la nanoescala para tecnologías médicas es que los dispositivos más pequeños son menos invasivos y posiblemente se puedan implantar dentro del cuerpo, además de que los tiempos de reacción bioquímica son mucho más cortos. Estos dispositivos son más rápidos y sensibles que los sistemas de administración de fármacos convencionales. [ 17 ] La eficacia de la administración de fármacos mediante nanomedicina se basa principalmente en: a) la encapsulación eficiente de los fármacos, b) la administración exitosa del fármaco a la región corporal objetivo y c) la liberación exitosa del fármaco. [ 18 ] En 2019, varios fármacos de nanoadministración ya estaban en el mercado. [ 19 ]

Los sistemas de administración de fármacos, nanopartículas basadas en lípidos [ 20 ] o polímeros, pueden diseñarse para mejorar la farmacocinética y la biodistribución del fármaco. [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] Sin embargo, la farmacocinética y la farmacodinámica de la nanomedicina son altamente variables entre diferentes pacientes. [ 24 ] Cuando se diseñan para evitar los mecanismos de defensa del cuerpo, [ 25 ] las nanopartículas tienen propiedades beneficiosas que pueden usarse para mejorar la administración de fármacos. Se están desarrollando mecanismos complejos de administración de fármacos, incluida la capacidad de hacer que los fármacos atraviesen las membranas celulares y entren en el citoplasma celular . La respuesta desencadenada es una forma de que las moléculas de fármacos se utilicen de manera más eficiente. Los fármacos se colocan en el cuerpo y solo se activan al encontrar una señal particular. Por ejemplo, un fármaco con poca solubilidad será reemplazado por un sistema de administración de fármacos donde existan entornos tanto hidrofílicos como hidrofóbicos, mejorando la solubilidad. [ 26 ] Los sistemas de administración de fármacos también pueden prevenir el daño tisular a través de la liberación regulada del fármaco; reducir las tasas de eliminación del fármaco; o reducir el volumen de distribución y disminuir el efecto en el tejido no objetivo. Sin embargo, la biodistribución de estas nanopartículas aún es imperfecta debido a las complejas reacciones del huésped a los materiales de tamaño nano y micro [ 25 ] y la dificultad de dirigirlos a órganos específicos del cuerpo. No obstante, se sigue trabajando mucho para optimizar y comprender mejor el potencial y las limitaciones de los sistemas de nanopartículas. Si bien el avance de la investigación demuestra que la focalización y la distribución pueden mejorarse con nanopartículas, los peligros de la nanotoxicidad se convierten en un importante siguiente paso para comprender mejor sus usos médicos. [ 27 ] La ​​toxicidad de las nanopartículas varía, dependiendo del tamaño, la forma y el material. Estos factores también afectan la acumulación y el daño orgánico que puede ocurrir. Las nanopartículas están hechas para ser duraderas, pero esto hace que queden atrapadas dentro de los órganos, específicamente el hígado y el bazo, ya que no pueden descomponerse ni excretarse. Se ha observado que esta acumulación de material no biodegradable causa daño orgánico e inflamación en ratones. [ 28 ] La administración de nanopartículas magnéticas a un tumor mediante campos magnéticos estacionarios no uniformes puede provocar un mayor crecimiento tumoral. Para evitar esto, se deben utilizar campos electromagnéticos alternos. [ 29 ]

Se están investigando las nanopartículas por su potencial para disminuir la resistencia a los antibióticos o para diversos usos antimicrobianos. [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] Las nanopartículas también podrían utilizarse para eludir los mecanismos de resistencia a múltiples fármacos (MDR). [ 12 ]

Sistemas bajo investigación

Los avances en la nanotecnología lipídica fueron fundamentales para la ingeniería de nanodispositivos médicos y sistemas novedosos de administración de fármacos, así como para el desarrollo de aplicaciones de detección. [ 34 ] Otro sistema para la administración de microARN en investigación preliminar son las nanopartículas formadas por el autoensamblaje de dos microARN diferentes para posiblemente reducir tumores . [ 35 ] Una aplicación potencial se basa en pequeños sistemas electromecánicos, como los sistemas nanoelectromecánicos que se están investigando para la liberación activa de fármacos y sensores para un posible tratamiento del cáncer con nanopartículas de hierro o capas de oro. [ 36 ] Otro sistema de administración de fármacos que involucra nanopartículas es el uso de aquasomas , nanopartículas autoensambladas con un centro nanocristalino , un recubrimiento hecho de un oligómero de polihidroxilo , cubierto con el fármaco deseado, que lo protege de la deshidratación y el cambio conformacional . [ 14 ]

Fabricación de nanomedicinas

La fabricación de nanomedicinas como nanopartículas lipídicas (LNP) , LNP cargadas con ARNm, liposomas y nanotransportadores magnéticos requiere un control preciso del tamaño de partícula , las propiedades de la superficie y la eficiencia de encapsulación para un uso seguro in vivo y una eficacia terapéutica reproducible. Tradicionalmente, estas nanoformulaciones se han fabricado mediante procesos por lotes, que pueden presentar limitaciones como la variabilidad en la calidad del producto y una escalabilidad limitada debido a la baja eficiencia de mezcla en dichos procesos. En contraste, los enfoques más modernos se basan en técnicas de fabricación continua para mejorar la escalabilidad y la reproducibilidad. Los métodos microfluídicos y otros métodos de mezcla rápida permiten un mejor control de los parámetros clave del proceso durante la formación de nanopartículas. Estas técnicas permiten la producción continua de nanopartículas reproducibles con distribuciones de tamaño estrechas y un rendimiento altamente escalable.

La producción a gran escala de vacunas contra la COVID-19 basadas en ARNm-LNP ( Comirnaty® y Spikevax® ) se basa en procesos continuos como la mezcla en T (mezcla turbulenta). [ 37 ] Este método permite una encapsulación eficiente del ARNm y un alto rendimiento, lo cual fue fundamental para la producción masiva de vacunas durante la COVID-19. Sin embargo, la escalabilidad depende de la paralelización de los mezcladores en T con múltiples bombas que operen en paralelo, ya que la mezcla en T no es escalable aumentando las dimensiones internas del mezclador. [ 37 ] La ​​caracterización de Comirnaty® muestra una amplia distribución del tamaño de partícula ( PDI ≥ 0,2), que es aceptable para vacunas, pero subóptima para fármacos de molécula pequeña debido a los mayores requisitos regulatorios. Para producir LNP más refinados con distribuciones de tamaño más estrechas, se emplean cada vez más mezcladores microfluídicos , que pueden permitir LNP más uniformes y una mayor escalabilidad debido a su estructura microfluídica interna, como se ha demostrado en múltiples estudios recientes. [ 38 ] [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]

Aplicaciones

Algunos fármacos basados ​​en nanotecnología que están disponibles comercialmente o en ensayos clínicos en humanos incluyen:

Imágenes

La obtención de imágenes in vivo es otra área donde se están desarrollando herramientas y dispositivos. [ 45 ] Mediante el uso de agentes de contraste de nanopartículas , imágenes como las de ultrasonido y resonancia magnética presentan una mejor distribución y un contraste mejorado. En la obtención de imágenes cardiovasculares, las nanopartículas tienen el potencial de facilitar la visualización de la acumulación de sangre, la isquemia, la angiogénesis , la aterosclerosis y las áreas focales donde hay inflamación. [ 45 ]

El pequeño tamaño de las nanopartículas les confiere propiedades muy útiles en oncología , especialmente en imagenología. [ 12 ] Los puntos cuánticos (nanopartículas con propiedades de confinamiento cuántico, como la emisión de luz sintonizable según el tamaño), cuando se utilizan junto con la resonancia magnética (RM), pueden producir imágenes excepcionales de los sitios tumorales. Las nanopartículas de seleniuro de cadmio ( puntos cuánticos ) emiten luz cuando se exponen a la luz ultravioleta. Al inyectarse, penetran en los tumores cancerosos . El cirujano puede ver el tumor brillante y usarlo como guía para una extirpación más precisa. Estas nanopartículas son mucho más brillantes que los colorantes orgánicos y solo necesitan una fuente de luz para su activación. Esto significa que el uso de puntos cuánticos fluorescentes podría producir una imagen de mayor contraste y a un menor costo que los colorantes orgánicos actuales utilizados como medios de contraste . Sin embargo, la desventaja es que los puntos cuánticos suelen estar hechos de elementos bastante tóxicos, pero esta preocupación puede abordarse mediante el uso de dopantes fluorescentes, sustancias añadidas para crear fluorescencia. [ 46 ]

El seguimiento del movimiento puede ayudar a determinar la eficacia con la que se distribuyen los fármacos o cómo se metabolizan las sustancias. Es difícil rastrear un pequeño grupo de células por todo el cuerpo, por lo que los científicos solían teñirlas. Estos colorantes necesitaban ser excitados por luz de una longitud de onda determinada para que brillaran. Si bien los colorantes de diferentes colores absorben distintas frecuencias de luz, se necesitaban tantas fuentes de luz como células. Una solución a este problema son las etiquetas luminiscentes. Estas etiquetas son puntos cuánticos unidos a proteínas que penetran las membranas celulares. [ 46 ] Los puntos pueden tener tamaños aleatorios, pueden estar hechos de material bioinerte y demuestran la propiedad a nanoescala de que el color depende del tamaño. Como resultado, se seleccionan tamaños de modo que la frecuencia de luz utilizada para hacer fluorescer un grupo de puntos cuánticos sea un múltiplo par de la frecuencia necesaria para hacer incandescente a otro grupo. Entonces, ambos grupos pueden iluminarse con una sola fuente de luz. También han encontrado una forma de insertar nanopartículas [ 47 ] en las partes afectadas del cuerpo para que esas partes brillen mostrando el crecimiento o la reducción del tumor o también problemas en los órganos. [ 48 ]

Detección

La nanotecnología en un chip es una dimensión más de la tecnología de laboratorio en un chip . Las nanopartículas magnéticas, unidas a un anticuerpo adecuado, se utilizan para marcar moléculas, estructuras o microorganismos específicos. Las nanopartículas de sílice, en particular, son inertes desde una perspectiva fotofísica y pueden acumular una gran cantidad de colorante(s) dentro de sus capas. [ 49 ] Las nanopartículas de oro marcadas con segmentos cortos de ADN se pueden utilizar para detectar secuencias genéticas en una muestra. Se ha logrado la codificación óptica multicolor para ensayos biológicos mediante la incrustación de puntos cuánticos de diferentes tamaños en microesferas poliméricas . La tecnología de nanoporos para el análisis de ácidos nucleicos convierte cadenas de nucleótidos directamente en firmas electrónicas. [ 50 ]

Los chips de prueba de sensores que contienen miles de nanocables, capaces de detectar proteínas y otros biomarcadores dejados por las células cancerosas, podrían permitir la detección y el diagnóstico del cáncer en etapas tempranas a partir de unas pocas gotas de sangre del paciente. [ 51 ] La nanotecnología está ayudando a avanzar en el uso de artroscopios , que son dispositivos del tamaño de un lápiz que se utilizan en cirugías con luces y cámaras para que los cirujanos puedan realizar las intervenciones con incisiones más pequeñas. Cuanto más pequeñas sean las incisiones, más rápido será el tiempo de curación, lo cual es mejor para los pacientes. También está ayudando a encontrar una manera de hacer que un artroscopio sea más pequeño que un cabello. [ 52 ]

La investigación sobre diagnósticos de cáncer basados ​​en nanoelectrónica podría dar lugar a pruebas que se puedan realizar en farmacias . Los resultados prometen ser muy precisos y el producto promete ser económico. Podrían tomar una cantidad muy pequeña de sangre y detectar cáncer en cualquier parte del cuerpo en aproximadamente cinco minutos, con una sensibilidad mil veces superior a la de una prueba de laboratorio convencional. Estos dispositivos están construidos con nanocables para detectar proteínas cancerígenas; cada detector de nanocables está preparado para ser sensible a un marcador de cáncer diferente. [ 36 ] La mayor ventaja de los detectores de nanocables es que podrían analizar entre diez y cien afecciones médicas similares sin aumentar el costo del dispositivo de prueba. [ 53 ] La nanotecnología también ha ayudado a personalizar la oncología para la detección, el diagnóstico y el tratamiento del cáncer. Ahora se puede adaptar al tumor de cada individuo para un mejor rendimiento. Han encontrado formas de poder dirigirse a una parte específica del cuerpo afectada por el cáncer. [ 54 ]

Tratamiento de la sepsis

A diferencia de la diálisis, que funciona según el principio de difusión de solutos dependiente del tamaño y ultrafiltración de fluidos a través de una membrana semipermeable , la purificación mediante nanopartículas permite la focalización específica de sustancias. [ 55 ] Además, se pueden eliminar compuestos de mayor tamaño que normalmente no son dializables. [ 56 ]

El proceso de purificación se basa en nanopartículas metálicas recubiertas de óxido de hierro funcionalizado o carbono con propiedades ferromagnéticas o superparamagnéticas . [ 57 ] Agentes de unión como proteínas , [ 55 ] antibióticos , [ 58 ] o ligandos sintéticos [ 59 ] se unen covalentemente a la superficie de la partícula. Estos agentes de unión pueden interactuar con las especies objetivo formando un aglomerado. La aplicación de un gradiente de campo magnético externo ejerce una fuerza sobre las nanopartículas, lo que permite separarlas del fluido principal, eliminando así los contaminantes. [ 60 ] [ 61 ] Esto puede neutralizar la toxicidad de la sepsis, pero conlleva el riesgo de nefrotoxicidad y neurotoxicidad. [ 62 ]

El pequeño tamaño (< 100  nm) y la gran superficie de los nanomagnetos funcionalizados ofrecen ventajas en comparación con la hemoperfusión , una técnica clínicamente utilizada para la purificación de la sangre basada en la adsorción superficial . Estas ventajas incluyen una alta capacidad de carga, alta selectividad hacia el compuesto objetivo, rápida difusión, baja resistencia hidrodinámica y bajos requerimientos de dosis. [ 63 ]

Ingeniería de tejidos

La nanotecnología puede utilizarse en la ingeniería de tejidos para ayudar a reproducir, reparar o remodelar tejido dañado mediante andamios basados ​​en nanomateriales y factores de crecimiento adecuados. De tener éxito, la ingeniería de tejidos podría reemplazar tratamientos convencionales como trasplantes de órganos o implantes artificiales. Nanopartículas como el grafeno, los nanotubos de carbono, el disulfuro de molibdeno y el disulfuro de tungsteno se utilizan como agentes de refuerzo para fabricar nanocompuestos poliméricos biodegradables mecánicamente resistentes para aplicaciones de ingeniería de tejido óseo. La adición de estas nanopartículas a la matriz polimérica en bajas concentraciones (~0,2  % en peso) mejora significativamente las propiedades mecánicas de compresión y flexión de los nanocompuestos poliméricos. [ 64 ] [ 65 ] Estos nanocompuestos podrían servir como implantes óseos novedosos, mecánicamente resistentes y ligeros. [ 66 ]

Por ejemplo, se demostró que un soldador de carne fusionaba dos trozos de carne de pollo en uno solo mediante una suspensión de nanocápsulas recubiertas de oro activadas por un láser infrarrojo. Esto podría utilizarse para soldar arterias durante la cirugía. [ 67 ] Otro ejemplo es la nanonefrología , el uso de la nanomedicina en el riñón.

A pesar de las investigaciones realizadas durante las últimas dos décadas, aún no se comprenden completamente el potencial y las implicaciones de los usos de la nanotecnología en la ingeniería de tejidos. [ 66 ]

Desarrollo de vacunas

Hoy en día, una proporción significativa de vacunas contra enfermedades virales se crean utilizando nanotecnología. Las nanopartículas lipídicas sólidas representan un novedoso sistema de administración para algunas vacunas contra el SARS-CoV-2 (el virus que causa la COVID-19 ). [ 68 ] En las últimas décadas, los adyuvantes de tamaño nanométrico se han utilizado ampliamente para mejorar las respuestas inmunitarias a antígenos vacunales específicos. Las nanopartículas inorgánicas de aluminio, [ 69 ] sílice y arcilla , así como las nanopartículas orgánicas basadas en polímeros y lípidos, son adyuvantes comúnmente utilizados en las formulaciones de vacunas modernas. [ 70 ] Las nanopartículas de polímeros naturales como el quitosano son adyuvantes comúnmente utilizados en las formulaciones de vacunas modernas. [ 71 ] Las nanopartículas de óxido de cerio parecen muy prometedoras tanto para mejorar las respuestas vacunales como para mitigar la inflamación, ya que su adyuvancia se puede ajustar modificando parámetros como el tamaño, la cristalinidad, el estado de la superficie y la estequiometría. [ 72 ]

Además, también se están investigando nanopartículas similares a virus. Estas estructuras permiten que las vacunas se autoensamblen sin encapsular el ARN viral, lo que las hace no infecciosas e incapaces de replicarse. Estas nanopartículas similares a virus están diseñadas para provocar una fuerte respuesta inmunitaria mediante una capa autoensamblada de proteínas de la cápside viral. [ 73 ] [ 68 ]

Regulación

A medida que el desarrollo de la nanomedicina continúa avanzando como un posible tratamiento para enfermedades, los desafíos regulatorios han evaluado los procesos de fabricación reproducibles, la escalabilidad, la disponibilidad de métodos de caracterización apropiados, los problemas de seguridad y la escasa comprensión de la heterogeneidad de las enfermedades y las estrategias de preselección de pacientes. [ 74 ] La interacción global de las diversas partes interesadas está dando lugar a una regulación armonizada. [ 75 ]

Varios productos de nanomedicina terapéutica han sido aprobados por la FDA y la Agencia Europea de Medicamentos. [ 74 ] [ 76 ] Para su aprobación comercial, estas terapias se evalúan en cuanto a biocompatibilidad, inmunotoxicidad y una evaluación preclínica. [ 77 ]

Véase también

Referencias

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