Nanomedicina: punto de encuentro de la nanotecnología, la biotecnología y las ciencias de la salud
director asociado del Institut de Bioenginyeria de Catalunya (IBEC)
Artículo de opinión
Un gran número de los descubrimientos decisivos en biología y medicina han sido posibles gracias a la búsqueda de nuevos principios y técnicas de las ciencias físicas y de la ingeniería.
Desde la utilización de los rayos X y la Resonancia Magnética Nuclear (RMN) para la determinación de la estructura molecular y la obtención de imágenes médicas hasta las nuevas aplicaciones de las nanotecnologías en la manipulación molecular y celular o el desarrollo de los biochips, son innumerables los ejemplos en que la física y la ingeniería han sido involucradas en la innovación biomédica y en la práctica clínica.
La aplicación de la nanotecnología a la medicina se conoce como nanomedicina y comprende un ámbito de investigación científico y tecnológico interdisciplinar que pretende mejorar el diagnóstico, tratamiento y prevención de enfermedades y lesiones traumáticas, así como preservar y mejorar la salud y calidad de vida. Esto pasa por mejorar el conocimiento y comprensión del cuerpo humano a nivel molecular con el fin de poder analizar, supervisar, controlar, reparar, reconstruir y mejorar cualquier sistema biológico humano.
Desde el punto de vista de sus aplicaciones, en estos momentos se focaliza en tres grandes ejes transversales: mejora del diagnóstico tanto in vivo como in vitro, desarrollo de nuevos sistemas más efectivos de suministro y dosificación de fármacos, y desarrollo de tecnologías para a la ingeniería tisular y la medicina regenerativa.
El nanodiagnóstico posibilita la identificación de enfermedades o la predisposición a las mismas a nivel celular o molecular mediante la utilización de nanodispositivos. Bajo este concepto, se unifica la necesidad social y clínica junto con la capacidad tecnológica para detectar enfermedades en el estado más temprano posible, así como la necesidad de detectar potenciales efectos indeseables de los fármacos antes de su prescripción. Para alcanzar este objetivo, todas las actividades deben estar encaminadas a aumentar la eficacia del diagnóstico. Y, en este sentido, la nanotecnología ofrece herramientas para mejorar la sensibilidad, la especificidad y la fiabilidad. También ofrece la posibilidad de realizar medidas de diferentes parámetros en paralelo o de integrar varias etapas del proceso de análisis, desde la preparación de la muestra hasta su detección en un simple dispositivo miniaturizado. Gracias a la nanotecnología, los dispositivos futuros serán suficientemente inteligentes, debido tanto a su carácter informatizado como su robustez, para ser utilizados por el propio paciente y suministrar una multitud de datos al médico. Se trata, en definitiva, de satisfacer las necesidades actuales no cubiertas que beneficiarán tanto al paciente como al sistema sanitario.
Los diagnósticos in vitro pueden ser llevados a cabo mediante biosensores o dispositivos integrados que contienen muchos sensores. Un biosensor contiene un determinado receptor biológico, como puede ser una enzima o un anticuerpo, capaz de detectar la presencia o concentración de una sustancia de forma específica y traducir esta interacción a través de un transductor que transforma la señal bioquímica en una señal cuantificable. Entre este tipo de dispositivos se pueden citar nanoestructuras fabricadas mediante técnicas litográficas, que pueden ser revestidas con biomoléculas capaces de unirse a sustratos específicos (proteínas, ADN complementario a una determinada secuencia genética y, en general, moléculas que participan en fenómenos de adhesión y de reconocimiento receptor-ligando), dispositivos nanométricos capaces de servir como plataforma de diagnóstico para poder detectar biomarcadores con mayor sensibilidad que la que se puede obtener con los métodos actuales, o nanocristales de material semiconductor (quantum dots), que unidos a un anticuerpo u otra biomolécula son capaces de interaccionar con la molécula de interés.
La imagen molecular se define como la medida, caracterización y diagnóstico in vivo de procesos biológicos celulares o moleculares a través de imágenes generadas mediante la utilización conjunta de nuevos agentes moleculares y técnicas de imagen médica tradicionales.
Hoy en día, para conseguir terapias efectivas y eficaces no sólo es necesario disponer de moléculas con actividad farmacológica (molécula activa o fármaco), sino que el vehículo, soporte o sistema en el que estas moléculas van incorporadas desempeña un papel fundamental en el éxito final del medicamento. En este sentido, los nuevos sistemas de liberación de fármacos (Drug Delivery Systems) han permitido que disponemos actualmente de tratamientos más selectivos y potentes mejorando la ratio eficacia/toxicidad del actual y del futuro arsenal terapéutico. El concepto de sistema de liberación de fármacos surgió en la década de los setenta de forma coincidente con el de liberación controlada de fármacos. Esta idea fue consecuencia del reconocimiento de las posibilidades de mejora de las propiedades terapéuticas de los fármacos, en virtud de su incorporación en un sistema que permita su liberación a la velocidad adecuada y en el entorno adecuado. Por tanto, la idea de sistema de liberación se desvinculó desde sus inicios del concepto tradicional de forma farmacéutica, forma de dosificación o forma de administración, que hacen referencia a la forma o acondicionamiento final del fármaco (comprimido, cápsula, inyectable, supositorio, etc.). Con el paso del tiempo, los importantes avances en el diseño de nuevos sistemas de liberación han dado lugar a una ampliación de este concepto.
Los nanosistemas terapéuticos
Cuando la nanotecnología se aplica al diseño y desarrollo de sistemas de liberación de fármacos surge una área de investigación: la generación de nanosistemas terapéuticos. Esta área de la nanomedicina se define como la ciencia y tecnología de sistemas complejos de tamaño entre 1-1.000 nm formados por al menos dos componentes, uno de los cuales es un principio activo. Este sistema está especialmente diseñado para tratar, prevenir o diagnosticar enfermedades. En un sentiido más amplio podríamos incluir aquí aquellos sistemas formados por un único componente, pero que han sido sometidos a un proceso que los transforma en nanométricos (por ejemplo, mediante tecnología de fluidos supercríticos).
La medicina regenerativa es una área emergente que busca la reparación de tejidos y órganos mediante la aplicación de métodos procedentes de terapia génica, la terapia celular y la ingeniería tisular. La ingeniería tisular combina la utilización de células vivas y biomateriales que actúan como estructuras de apoyo en la reconstrucción del tejido, realizando las funciones de la matriz extracelular. Los biomateriales utilizados en ingeniería tisular han sufrido una clara evolución. Empezaron siendo materiales inertes para el organismo (biomateriales de primera generación: período 1960-70), para después pasar a ser materiales bioactivos o biodegradables (biomateriales de segunda generación: período 1980-90). Actualmente, los materiales que se utilizan son los denominados de tercera generación, aquellos capaces de mimetizar respuestas celulares específicas a nivel molecular. Gracias al desarrollo de tecnologías a nivel nano, esta generación de materiales tienen el potencial de interaccionar con componentes celulares, dirigir la proliferación y diferenciación celular y la producción y organización de la matriz extracelular.
La nanomedicina constituye un paradigma de investigación traslacional, ya que requiere desde la investigación básica proveniente de la química, física o biología hasta la investigación aplicada de la ciencia y tecnología de materiales, farmacología, bioelectrónica y ingeniería biomèdica, así como la investigación médica clínica. La nanomedicina requiere el desarrollo de un sector industrial que permita que los avances científico-tecnológicos se transformen en tecnologías para la salud que puedan mejorar la calidad de vida y disminuyan el coste sanitario. Se trata de un ámbito económico que incluye a sectores como el farmacéutico, las tecnologías médicas o la biotecnología. En Cataluña nos encontramos en un momento idóneo para avanzar en este ámbito si consideramos la masa crítica y la capacidad de nuestros centros de investigación, universidades, hospitales e industria farmacéutica y de tecnología médica. Debemos trabajar de forma coordinada a nivel local con visión global.
Hace más de 200 años, un ilustre, pero poco conocido, investigador y cirujano catalán Antoni Cibat Arnautó escribió: "Sin los conocimientos de la física, la química y la botánica nadie puede considerar que conoce plenamente la medicina y la cirugía". Hoy, esta disciplina se conoce como nanomedicina.