Kitabı oku: «Nanomedicina»

Un mundo en miniatura
para una nueva medicina

Unos pitidos despiertan a Carlos. ¿Suena el despertador? No, es el aviso de que ha llegado un mensaje de texto a su móvil. Carlos, todavía medio dormido, alarga la mano para alcanzarlo. «La eficacia del tratamiento ya no es óptima. Es necesario modificarlo. Cita en el hospital a las 13h. Liberados 10 miligramos de morfina para reducir el dolor», lee en la app Treat&Check (tratar y controlar). No es un mensaje escrito por un médico. O ¿en realidad sí? Todo depende de lo que entendamos por «médico» de aquí a unos años.

Carlos tiene 47 años y, desde hace diez meses, recibe tratamiento para combatir un cáncer de colon. En su torrente sanguíneo, un nanosensor patrulla para analizar cada ocho horas la presencia de ADN tumoral. Este ADN es el material que las células de su tumor expulsan al torrente sanguíneo. Son pequeños fragmentos del material genético del cáncer, una fuente de información muy valiosa, pues los cambios en ese ADN tumoral permiten saber si el tratamiento está siendo eficaz o si, por el contrario, el tumor avanza. Si el cáncer empeora o mejora, el material genético cambia. El nanosensor analiza ese ADN del tumor y envía la información al móvil de Carlos y de ahí al hospital, donde un supercomputador es capaz de manejar big data (grandes cantidades de datos) y analizar la información de Carlos y la de otros miles de pacientes en pocos segundos. Además, el supercomputador cruza los datos que recibe de Carlos (su ADN tumoral, pero también su presión arterial, sus niveles de glucosa, cuántas horas ha dormido…) con las bases de datos de los tratamientos que podrían ser adecuados para él. Todo ello para responder, cada ocho horas, a las siguientes preguntas: ¿está recibiendo Carlos el tratamiento adecuado?, ¿debería ajustarse la dosis?, ¿cómo se pueden reducir los efectos secundarios?

En este caso, además, el nanosensor ha detectado un aumento del dolor en Carlos, uno de los síntomas más habituales en un tratamiento oncológico. Y el supercomputador ha enviado la orden para que otro nanodispositivo que también circula por el torrente sanguíneo del paciente libere la cantidad de morfina adecuada y en el momento oportuno para que la dosis sea tan eficaz como segura.

Carlos ya no tiene que llamar a su centro médico para concertar una cita. Tampoco necesita hacerlo a través de internet. Y, tras sus visitas, el médico (humano) ya no le programa para dentro de uno, dos o tres meses, es decir, en un plazo fijo de tiempo. Carlos irá al médico cuando sea necesario. Mientras, el supercomputador cuida de él. El nanosensor analiza en tiempo real la evolución de su enfermedad y otro nanodispositivo libera fármacos para mitigar los efectos secundarios del tratamiento. El nanosensor envía información al móvil de Carlos, que a su vez la envía al hospital, donde el ordenador la procesa para remitir un breve informe al médico, que ya conocerá perfectamente el estado de su paciente cuando este llegue.

¿Una fantasía? Por poco tiempo. Actualmente ya es posible introducir y dirigir nanosondas metálicas y/o magnéticas a lugares determinados del cuerpo y liberar allí un fármaco o destruir un tejido dañado o detectar una célula maligna. También es posible realizar análisis genéticos personalizados, cirugía endoscópica dirigida telemáticamente y trasplantes de órganos. Además, disponemos de un arsenal farmacológico inimaginable hace pocas décadas. Todos estos avances han contribuido a mejorar nuestra longevidad e incluso a plantearnos sus límites. Si hoy podemos vivir más y en mejores condiciones que ninguna otra generación anterior es gracias a un principio muy sencillo: la aplicación de los últimos avances tecnológicos, de cualquier rama del conocimiento, al ejercicio de la medicina. Pensemos, por ejemplo, en cómo los avances en metalurgia han sido aprovechados para disponer de aleaciones más resistentes con las que fabricar prótesis, o en cómo el progreso de la química ha permitido modificar moléculas obtenidas de la naturaleza para potenciar sus efectos beneficiosos o reducir sus efectos adversos. Con los aceleradores de partículas se descubrió la manera de fabricar antimateria y esto se aprovechó para diseñar nuevas técnicas de imagen basadas en la emisión de positrones en el interior del cuerpo. Hoy en día, estas sustancias radiactivas se introducen de forma endovenosa y permiten observar el funcionamiento de órganos y tejidos, algo muy útil sobre todo en la investigación contra el cáncer.

EL NACIMIENTO DE LA NANOTECNOLOGÍA

A la luz de esta tendencia era fácil prever que en el momento en el que aprendiéramos la manera de manipular directamente los átomos para fabricar estructuras de tamaño molecular, lo que conocemoscomo «nanotecnología», se aprovecharía el potencial de estas nuevas herramientas para ir un paso más allá en nuestra capacidad para sanarnos. Y este momento tuvo su punto de partida en una fecha muy precisa: el 29 de diciembre de 1959, cuando el eminente físico estadounidense Richard Feynman pronunció una conferencia organizada por la Sociedad Americana de Física en el Instituto de Tecnología de California. La tituló There’s Plenty of Room at the Bottom («En el fondo hay espacio de sobra») y en ella especuló con la posibilidad de manipular los átomos directamente y con las posibilidades que esta capacidad nos ofrecería. Aunque en aquellos momentos la idea de miniaturizar las máquinas hasta el nivel atómico era aún una fantasía, Feynman puso el énfasis en que no había ninguna ley física conocida que lo impidiera:

Quisiera describir un campo en el que poco ha sido hecho, pero en el que, en principio, podrían hacerse muchísimas cosas […]. Aun más, lo importante es que tendría un número enorme de aplicaciones técnicas. De lo que quiero hablar es del problema de manipular y controlar cosas en una escala pequeña. Tan pronto como menciono esto, la gente me habla acerca de miniaturización, y cuánto ha progresado hoy […] Pero eso no es nada: ese es el paso más primitivo y vacilante en la dirección que intento discutir. Es un mundo sorprendentemente pequeño que está debajo. En el año 2000, cuando miren hacia atrás a este año, se preguntarán por qué no fue hasta el año 1960 que alguien comenzó seriamente a moverse en esta dirección.

Las posibilidades de lo que posteriormente se conocería como nanotecnología parecían infinitas, aunque no era su aplicación práctica lo que más motivaba a Feynman. A pesar de la evidente utilidad que podría tener en múltiples campos del conocimiento y de la tecnología, lo más interesante desde su punto de vista era superar el reto de conseguir manipular la materia a escala atómica. No obstante, uno de los ejemplos que planteó en la citada conferencia fue la primera referencia a la nanomedicina. Feynman explicó que un amigo suyo sugería una posibilidad muy interesante para máquinas relativamente pequeñas. Una idea que Feynman calificó de «salvaje» y que, literalmente, consistía en que en cirugía se pudiera «ingerir» al cirujano. Es decir, colocar a un cirujano mecánico en la circulación sanguínea del paciente para que alcanzara el interior de su corazón y «mirara» alrededor. De este modo, podría descubrir la válvula dañada y repararla con herramientas también minúsculas. Asimismo, otras «pequeñas máquinas» podrían ser incorporadas permanentemente en el cuerpo para asistir a algún órgano que funcionara inadecuadamente.

> RICHARD FEYNMAN, UN VISIONARIO DE LA FÍSICA

Feynman en 1986, cuando formaba parte de la Comisión Challenger.

Si hay un científico que pueda ser considerado uno de los precursores de la nanotecnología y, con ella, de la nanomedicina, ese es el físico teórico estadounidense Richard Phillips Feynman (1918-1988). No obstante, reducir su aportación a la ciencia únicamente a este campo es hacer poca justicia a una personalidad polifacética e inquieta, capaz de ver más allá de las ecuaciones matemáticas que desarrollaba e intuir todas sus posibilidades teóricas y prácticas. Tras obtener el doctorado en Princeton en 1942, Feynman participó en el proyecto Manhattan para el desarrollo de la primera bomba atómica. Una vez acabada la Segunda Guerra Mundial, se dedicó a estudiar la electrodinámica cuántica, labor que le valió el Premio Nobel de Física en 1965. Una de sus aportaciones en ese ámbito son unos diagramas que ideó para describir el comportamiento de las partículas subatómicas y que, bautizados con su nombre, todavía hoy son ampliamente utilizados por los físicos. Ya al final de su vida, en 1986, formó parte del comité que investigó el accidente del transbordador espacial Challenger. Pero lo que hizo más famoso a Richard Feynman fue su capacidad como divulgador de la ciencia, evidenciada en libros como ¿Está usted de broma, Sr. Feynman?, de 1985. Con todo ello presente, no es de extrañar que Feynman fuese uno de los primeros en imaginar las posibilidades de la manipulación de los materiales a escala nanométrica.

Para la comunidad científica, esa conferencia tuvo importantes repercusiones, pues lejos de quedarse en el ámbito especulativo se tradujo en un reto en toda regla. El mismo Feynman la concluyó ofreciendo dos premios de mil dólares: uno para quien fuera capaz de escribir un texto reducido 25 000 veces, de manera que pudiera ser leído en un microscopio electrónico; otro para el que fabricara un motor eléctrico rotativo de 1/64 de pulgada cúbica que pudiera ser controlado desde el exterior.

El segundo de esos premios tuvo ganador tan solo un año después de la conferencia: en noviembre de 1960, un ingeniero eléctrico estadounidense llamado William McLellan consiguió construir un motor del tamaño requerido y que generaba la millonésima parte de un caballo de fuerza. Para el primer reto, en cambio, fue necesario esperar hasta 1985, cuando Tom Newman, un estudiante de doctorado de la Universidad de Stanford, escribió la primera página de la novela de Charles Dickens Historia de dos ciudades a escala 1/25 000 usando un haz de electrones sobre la cabeza de un alfiler. El reto lanzado por Feynman había obtenido respuesta y la nanotecnología abría las puertas a un nuevo concepto para resolver problemas tecnológicos.

Al calor del incipiente interés por la nanotecnología, en la década de 1980 aparecieron los primeros trabajos que ligaban procesos bioquímicos con nanotecnológicos, dando origen así a la nanobiotecnología. Fue Kim Eric Drexler quien puso los cimientos de esta área al polarizar los potenciales de la tecnología molecular y apuntar así a la posibilidad de reproducir mecánicamente lo que las células controlan biológicamente. Un camino este rubricado en 2016 con la concesión del Premio Nobel de Química al francés Jean-Pierre Sauvage, el escocés sir J. Fraser Stoddart y el holandés Bernard L. Feringa por, en palabras del comité Nobel, su contribución al «diseño y desarrollo de máquinas moleculares».

FIG. 1

Esquema de microscopio de efecto túnel, una herramienta que, a diferencia de los microscopios electrónicos, permite visualizar la materia a nivel atómico, así como manipular átomos al modo que pronosticaba el físico Richard Feynman.

La tecnología necesaria para obtener, de manera eficiente, las estructuras moleculares que se precisaban para trabajar a escala nano llegó en 1981 con el «microscopio de efecto túnel» (fig. 1), un instrumento que permite identificar átomos individuales. Su funcionamiento, completamente diferente al de los microscopios habituales, se basa en hacer pasar sobre la muestra que se pretende observar una punta tan afilada que consta de un solo átomo en el extremo. Si la punta está lo suficientemente cerca de los átomos de la superficie de la muestra, interacciona con sus electrones y se genera una pequeña corriente. Desplazando la punta y midiendo los cambios en la corriente, se puede «dibujar» el perfil de los átomos individuales de la muestra.

Fue un desarrollo extraordinario. Pero los científicos consiguieron ir un paso más allá cuando se dieron cuenta de que si en lugar de limitarse a medir la corriente pasaban a controlarla, la misma punta permitía capturar y depositar los átomos a voluntad. Es decir, no solo se obtenía una imagen de los átomos, sino que estos también se podían controlar. Con esta técnica se consiguió manipular átomos individuales por primera vez, un logro escenificado de manera incontestable en 1989 cuando este instrumento se usó para desplazar 35 átomos de xenón y depositarlos sobre una superficie de modo que recrearan el logo de IBM.

Aquello fue una proeza casi artesanal que no tardó en quedar superada por los avances que tuvieron lugar posteriormente. Ya se podía diseñar con precisión la posición de cada átomo en estructuras moleculares, pero para generalizar sus múltiples aplicaciones en diferentes campos, como la industria, las telecomunicaciones o la medicina, se requería la fabricación a gran escala, una situación que tuvo su eclosión en la última década del siglo XX. A partir de este momento, el desarrollo de la nanotecnología no ha dejado de crecer.

EL MUNDO A ESCALA NANOMÉTRICA

La posibilidad de disponer de instrumentos de tamaño molecular despertó el inmediato interés de muchos investigadores del campo de la medicina. Pero, cuando hablamos de escala nano, ¿a qué nos referimos concretamente? El ojo humano puede discriminar dos puntos separados por una décima de milímetro. Más allá de ese tamaño ya necesitamos lupas o microscopios para ver objetos de tamaño micrométrico y submicrométrico. El prefijo «micro-» indica que nos referimos a la milésima parte de un milímetro y aunque el nombre correcto es micrómetro, suele usarse el término micra para referirse a este tamaño. Un glóbulo rojo de la sangre mide entre cinco y siete micras, una célula del hígado más de veinte micras y una bacteria puede oscilar entre media micra y cuatro micras. Son tamaños muy pequeños, pero mucho mayores que los valores de trabajo de la nanotecnología: los nanómetros (nm), 1 000 veces más pequeños que los micrómetros y un millón de veces más pequeños que los milímetros. La nanotecnología, en concreto, tiene su rango de acción entre 1 y 100 nm.

Pero si reducir el campo de actuación hasta el tamaño molecular es una proeza tecnológica, los retos no acaban aquí. Trabajar a nivel nano implica mucho más que un simple cambio de escala, pues en ese entorno cercano a las dimensiones atómicas prevalecen las leyes de la física cuántica, los procesos mecánicos y moleculares se ven alterados por las interacciones moleculares ypredominan las superficies frente a los volúmenes. En relación a este aspecto, si analizamos lo que sucede a cualquier objeto que doble su tamaño (fig. 2), observaremos que el volumen crece elevado al cubo, mientras que su superficie solo crece elevándose al cuadrado. Esto implica que aumentarán proporcionalmente mucho más los elementos que dependen del volumen, como el peso o su contenido, si los comparamos con otros que se relacionan con la superficie, como la capacidad de sostener otros objetos o de eliminar el calor. Una consecuencia bien conocida de este fenómeno sobre los seres vivos es el de las patas de los elefantes y de las moscas. Basta comparar la forma del cuerpo de una mosca, de un ratón y de un elefante para darnos cuenta de que proporcionalmente las patas van ganando grosor a medida que el animal crece en tamaño. Cada vez se necesita una pata mayor para sustentar un volumen que crece más que la superficie de sustentación. El caso es que esto mismo sucede al reducir el tamaño de cualquier cosa que imaginemos. Y, si la reducción la llevamos hasta la escala nanométrica, los efectos resultan especialmente notables.

> EL UNIVERSO DE LO MÍNIMO

Si se tiene en cuenta que 1 metro equivale a 1 000 milímetros, que 1 milímetro son 1 000 micras y que 1 micra son 1 000 nanómetros, es posible llegar a entender lo pequeño, lo mínimo, que es un nanómetro y, por tanto, la dificultad de trabajar a esa escala. En la actualidad, la miniaturización lograda por la tecnología ha alcanzado cotas tan espectaculares que igualan a algunas de las estructuras más diminutas existentes en la naturaleza. Es lo que puede verse en esta imagen, que muestra en su parte superior una serie de elementos que van de lo métrico a lo micrométrico y luego a lo nanométrico; en la inferior se aprecia una serie de estructuras de rango nanométrico empleadas en nanomedicina.

FIG. 2

Ejemplo de aumento espectacular de área de superficie al cortar un cubo en cubitos más pequeños. Sin que varíe el volumen total, se puede pasar de 6 m² a 6 000 millones de m².

Esta característica tiene una gran importancia, ya que fenómenos como la transmisión de calor o de electricidad dependen mucho de estas proporciones. Cuando la superficie de un objeto empieza a calentarse, el calor se va transmitiendo hacia el interior, generándose un gradiente, con el máximo de temperatura en la superficie y el mínimo en el centro del objeto. Cuanto menor sea la distancia entre la superficie y el centro, más rápidamente se llegará a un equilibrio. En cambio, si la distancia es considerable, el núcleo del objeto tardará mucho en calentarse. Puesto que en el caso de los dispositivos a escala nanométrica la distancia que separa su interior de la superficie es de unos cuantos átomos, las transferencias entre su superficie y su interior son casi inmediatas. Este fenómeno se denomina superficie específica y entre una partícula de 1 cm de diámetro y una de 1 nm, la superficie específica aumenta en 10 000 000 para la más pequeña. Otros parámetros que varían son los átomos en superficie respecto al total de átomos del material; así, por ejemplo, en una partícula de 1 cm³, únicamente 1 de cada 1 000 000 de átomos está en superficie, en cambio, si la partícula es de 1 nm³, el 60 % de los átomos lo estarán. Esta variación en la cantidad de átomos incide directamente en el punto de fusión de los materiales, haciendo que disminuya considerablemente, como por ejemplo en el oro, el cual tiene un punto de fusión de 1063 ºC cuando tiene tamaño macro y cerca de 200 ºC cuando tiene tamaño nano.

Los efectos físicos, químicos y mecánicos de los materiales son, pues, muy diferentes en la nanoescala. Para nosotros, la fuerza de gravedad determina nuestra manera de ver y estar en el mundo. Aunque no seamos conscientes de ello, organizamos nuestra visión según conceptos como arriba y abajo, conceptos que simplemente quieren decir «en la dirección en la que tira la gravedad» o «en dirección contraria a la atracción gravitatoria». Sabemos que los objetos caen al suelo y nos sorprende la visión de los astronautas flotando en la ingravidez. Sin embargo, en el mundo nano la fuerza de la gravedad resulta irrelevante y son otras las fuerzas que cobran protagonismo. La tensión superficial, la viscosidad del medio o el electromagnetismo tienen mucha más importancia aquí, hasta elpunto de condicionar el comportamiento de los nanomateriales. No hay que olvidar que, a esta escala, el agua ya no es un fluido que rodea un objeto, sino un grupo de moléculas individuales que vibran alrededor del objeto e impactan constantemente contra su superficie. De este modo, la energía cinética transmitida por los impactos de las moléculas de agua pasa a ser muy relevante. Esto hace que, por ejemplo, la capacidad de desplazamiento de un nanobot a través de fluidos corporales dependa mucho más de lo viscoso que sea ese fluido que del peso del nanobot (fig. 3). De nuevo, el motivo es el cambio en la relación entre la superficie y el volumen, que hace que el peso (que depende del volumen) sea irrisorio, todo lo contrario que el rozamiento con otras moléculas (que depende de la superficie) en un fluido relativamente viscoso, aspecto este tan importante como para determinar la movilidad del nanobot. Esto hace que las características particulares del fluido donde se mueve el dispositivo sean determinantes, pues avanzar a través de una lágrima, constituida esencialmente por agua, puede resultar infinitamente más sencillo que hacerlo por la sangre, comparativamente más viscosa, ya que contiene moléculas como proteínas o azúcares disueltos y, además, es más turbulenta.

FIG. 3

A escala nanométrica predominan los efectos de la viscosidad (el número de moléculas de agua que golpean contra una partícula), mientras que cuando aumenta el tamaño de la partícula, gana importancia la gravedad.

Para nuestro tamaño resulta irrelevante cuál sea la carga eléctrica de unas u otras proteínas de la superficie de la piel, ya que la fuerza electromagnética que ejercen es ínfima. Pero si los átomos de la superficie de un nanobot presentan algún tipo de carga eléctrica, desplazarse por un vaso sanguíneo puede resultar imposible, ya que las paredes de la arteria también tienen carga positiva o negativa y lo pueden retener o repeler con una fuerza que resulte imposible de vencer. Esta es una característica que puede ser fuente de muchos problemas para controlar y dirigir elementos en nanomedicina. La clave reside en regular las cargas eléctricas de estos componentes para que queden retenidos o eviten determinadas zonas del organismo.

NANOESTRUCTURAS Y NANOMATERIALES

Pero en el ámbito de la medicina, médicos e investigadores no solo han de adaptarse a las leyes físicas que imperan en la escala nano, sino que deben emplear también nanomateriales (materiales que, al menos en una de sus dimensiones, son inferiores a 100 nanómetros) y nanoestructuras (las herramientas fabricadas con esos nanomateriales) con características particulares que puedan ser introducidos en el cuerpo humano para realizar tareas similares a sus homólogos macroscópicos: unirse a otros elementos, transportar fármacos, cubrir superficies, calentar o enfriar determinadas zonas… Estos nanomateriales pueden consistir en materiales ya existentes cuyas propiedades son diferentes al cambiar de escala o bien materiales nuevos. Aunque la lista de nanomateriales es amplísima, en el campo de la nanomedicina destacan las nanopartículas de óxido y metálicas (de oro y plata) y el grafeno. No obstante, es habitual que estas se consideren también como nanoestructuras, pues pueden ser elementos muy simples.

De lo que se trata es de llevar al límite un proceso que se ha empleado para tratar enfermedades ya desde tiempos remotos, cuando compuestos que contenían plata se aplicaban en forma de polvo sobre las heridas como antisépticos o se usaban sales de zinc como cicatrizantes. Pronto se vio que cuanto más finos eran los granos, más eficaz era el tratamiento. Esto se debe a que, como ya hemos señalado, a medida que el tamaño de las partículas se reduce, aumenta la superficie de contacto y la reactividad del elemento.

De entre las nanopartículas más básicas, destacan especialmente dos en el ámbito de la nanomedicina: las de oro y las de plata. Las primeras presentan una elevada área superficial y son fácilmente funcionalizadas con un amplio abanico de ligandos, como por ejemplo, anticuerpos, polímeros, sondas de diagnóstico, fármacos y material genético, lo que las convierte en una opción idónea para la administración controlada de fármacos o la hipertermia, el análisis mediante biodetección, etcétera. Respecto a las nanopartículas de plata, destacan especialmente por su efecto biocida. Cuando entran en contacto con bacterias y hongos, afectan adversamente el metabolismo celular de ambos organismos, inhibiendo su crecimiento celular. La nanoplata suprime la respiración, el metabolismo basal del sistema de transferencia de electrones y el transporte de sustrato en la membrana celular microbiana.

MICELAS, LIPOSOMAS Y DENDRÍMEROS

Dentro del mundo de las nanopartículas, destaca un grupo especialmente atractivo por sus posibilidades para transportar y liberar fármacos: es el constituido por las micelas —vesículas formadas por unaúnica capa de lípidos—, los liposomas —vesículas formadas por una doble capa— y los dendrímeros —familia de grandes moléculas—. Hay que tener en cuenta que si lo que pretendemos es transportar un fármaco o cualquier otro producto por el interior del cuerpo, es necesario empaquetarlo de alguna manera que lo mantenga separado del medio externo. La manera más sencilla es imitar la estructura de las células y preparar una membrana que se mantenga estable en el medio acuoso. Los lípidos (las moléculas que forman las grasas) son ideales para este cometido, ya que su tendencia es mantenerse unidos y sin mezclarse con el agua. Con una membrana de lípidos similares a los que usan las células es factible formar una vesícula o vehículo en el interior de la cual se puede contener el producto que se quiere transportar.

Micelas y liposomas presentan algunas diferencias respecto al tipo de productos que pueden transportar y a la manera en el que entran en las células para verter su contenido. Por ejemplo, las micelas son muy útiles para transportar productos solubles en las grasas, mientras que los liposomas funcionan mejor con moléculas solubles en agua. Si lo que se pretende es transportar fármacos de un tipo u otro, sus características químicas definen cuál de estos dos sistemas de transporte será más eficiente. Probablemente sean las nanoestructuras más estudiadas, puesto que su desarrollo se inició en la década de 1970 y ya se comercializan muchas cremas dermatológicas con liposomas para hidratar la piel. Asimismo, las micelas se emplean para transportar medicamentos hasta los tejidos y las células del cuerpo en el campo del cáncer.

Otra alternativa para el transporte a escala atómica son una familia de grandes moléculas llamadas dendrímeros (fig. 4). Su nombre, derivado del griego dendros (árbol), hace referencia al hecho de que presentan una estructura arborescente, similar a las ramas de un árbol, aunque también nos pueda recordar a la forma de un copo de nieve o incluso a la de una mano extendida. La característica principal es que a partir de un núcleo central emergen diferentes ramas que se van dividiendo en más ramas de manera simétrica. No hay un compartimento interno como en el caso de los liposomas, sino que las moléculas que se pretenden transportar se unen a los extremos o a la superficie del dendrímero. El hecho de ser una estructura arborescente hace que se disponga de muchos lugares de unión, de manera que su capacidad de transporte es elevada. Pero su principal interés reside en que no es necesario unir la misma molécula a todos los extremos: en unos lugares se puede unir el fármaco que se pretende transportar y en otras partes del dendrímero se pueden colocar moléculas marcadoras que dirijan el complejo hacia unas células u otras. El resultado es un todo en uno a escala nanométrica que puede ser muy útil para matar células cancerígenas y marcar otras células vecinas al tumor y vigilar su evolución. Por otra parte, este tipo de estructura presenta una interesante flexibilidad: dado que las cadenas están formadas por moléculas que se pliegan en el espacio de manera diferente en función del pH del medio, en condiciones ácidas o alcalinas la estructura del dendrímero se puede modificar, abriéndose y extendiéndose, o cerrándose y compactándose. Se trata de una capacidad que se puede explotar si usamos los dendrímeros para transportar fármacos diseñándolos de manera que se depositen en lugares donde el pH sea el adecuado para que la estructura se abra.

FIG. 4

Esquema básico de la estructura de un dendrímero, en el que se aprecia cómo de su núcleo surgen varias ramas moleculares de las que salen otras ramas con tantos niveles como se quiera.

EL GRAFENO Y LOS NANOTUBOS DE CARBONO

Si en lugar de unirse a células individuales lo que se desea es cubrir superficies de mayor tamaño, como la parte interna de un vaso sanguíneo o la superficie de una fibra nerviosa, se puede recurrir al grafeno, uno de los materiales más versátiles para el diseño de herramientas en nanomedicina. Su estructura básica corresponde a una lámina hecha por átomos de carbono organizados en forma de celdas hexagonales. Pero el grafeno no es un recién llegado a nuestras vidas. Lo hemos visto en infinidad de ocasiones en nuestro quehacer cotidiano: cuando escribimos con un lápiz lo que hacemos es dejar depositadas sobre el papel una cantidad innumerable de capas de grafeno desprendidas de la mina de carbono. Aunque esto podría dar a entender que es un material frágil, en realidad es uno de los más resistentes que existen. Y no es esta su única cualidad: es también flexible, ligero, transparente y conductor del calor y de la electricidad, sin olvidar que interacciona fácilmente con los compuestos biológicos. De este modo, utilizando el grafeno como base en la fabricación de nanoherramientas, se pueden añadir sensores a su superficie que podrán proporcionar lecturas en tiempo real de diferentes parámetros del organismo. Otras opciones son usarlo como sistema de transporte uniendo los fármacos a su superficie o como estructura para recubrir tejidos u órganos. También se podría aplicar directamente para matar células tumorales aprovechando sus excelentes características como conductor del calor. Estas diferentes aplicaciones se consiguen modificando químicamente su superficie (mediante el añadido de grupos con carga positiva o negativa, así como receptores o anticuerpos específicos), de manera que se adapten a las características deseadas. Otra aplicación sería la de construir nanotubos de carbono. Conceptualmente, estos aparecen de una forma tan sencilla como una capa de grafeno enrollada (fig. 5).

Estos nanotubos corresponderían a los cables con los que podremos construir andamios para controlar la reparación de huesos o para fabricar estructuras de sustitución biomecánica, como músculos o tendones. Con ellos también se podrían guiar células nerviosas en el proceso de regeneración de nervios dañados, uno de los principales retos en el campo de la medicina. Por otra parte, su misma estructura facilita la unión de moléculas muy largas y relativamente rígidas como el ADN, lo que resulta esencial cuando se pretende combinar la nanomedicina con las nuevas terapias génicas. En este tipo de terapias, se introducen en el organismo fragmentos de ADN para reemplazar los genes mutados que, al no ser funcionales, impiden que el organismo realice determinadas funciones como, por ejemplo, la correcta síntesis de la insulina en el caso de los diabéticos. Los nanotubos de carbono se pueden adaptar para que ejerzan la función de transportadores del ADN hasta el interior de las células.

FIG. 5

Un nanotubo de carbono de pared simple se forma al enrollar sobre sí misma la estructura hexagonal plana de átomos de carbono (grafeno) que forman cada capa de grafito.

LOS PUNTOS CUÁNTICOS

Estas estructuras aprovechan los sorprendentes efectos de la mecánica cuántica para fabricar mecanismos de detección y de optimización de los sistemas de imágenes médicas. Los puntos cuánticos son estructuras cristalinas de unos cientos de átomos de tamaño, organizados de tal manera que el movimiento de sus electrones queda restringido a una zona determinada de la estructura. Cuando los puntos son iluminados, estos electrones cambian de banda energética, pero inmediatamente vuelven a su estado basal emitiendo luz de determinado color. Esta característica ha resultado tener muchas aplicaciones industriales, pero en el campo concreto de la nanomedicina ha permitido diseñar sistemas para obtener imágenes de alto rendimiento. Con los puntos cuánticos se puede conseguir iluminar tumores, tejidos e incluso células individuales y hacer su seguimiento in vivo.

LA ELIMINACIÓN DE LOS NANOMATERIALES

Ya hemos visto que existe una gran variedad de materiales que pueden introducirse en el cuerpo con distintos objetivos médicos. Pero tan importante como introducirlos es determinar cuándo y cómo eliminarlos. Los nanomateriales suelen eliminarse mediante la filtración en los riñones y la excreción a través de la orina. Por ello, y para garantizar una óptima eliminación, es necesario que el tamaño de los elementos sea menor que el de los poros de la membrana del glomérulo renal (la estructura del riñón donde la sangre filtra los productos que elimina). Se ha comprobado que las partículas de tamaño inferior a los 5 nm pueden eliminarse con rapidez (las menores de 4 nm tienen una vida media en el interior del cuerpo de unos pocos minutos), mientras que las de tamaños superiores se mantienen mucho más tiempo en el organismo (hasta quince horas las de más de 10 nm) y pueden causar toxicidad. Por supuesto, el tamaño no es el único factor que tener en consideración, ya que los materiales con los que se recubran para dirigirlos a una u otra estructura pueden alterar estos tiempos, pero sí es el más determinante.

Por más espectaculares que parezcan las metodologías que se empiezan a vislumbrar, no hay duda de que en los próximos años la nanomedicina nos sorprenderá con aplicaciones que hoy apenas somos capaces de imaginar. Por supuesto, en última instancia, un médico será quien decida qué aplicaciones requiere cada paciente y quien verifique el correcto rendimiento de los nanodispositivos a los que confiaremos nuestra salud, pero las tareas rutinarias de comprobar el funcionamiento de nuestros órganos o los procesos de reparación más delicados recaerán en invisibles sistemas que recorrerán el interior de nuestro cuerpo. Una nueva era en el ejercicio del arte de curar está llamando a la puerta y, como veremos a continuación, su primera área de aplicación es el diagnóstico.