Revisión general de carácter divulgativo

El tamaño importa, y mucho. Al menos cuando se trata de abrir puertas a nuevas herramientas de investigación. Desde hace años, científicos de todo el mundo trabajan a escala muy pequeña para conseguir miniaturizar el aparataje y realizar grandes avances en todas las áreas, entre ellas la de la salud. El campo de la nanotecnología se ha convertido en un potencial que es capaz de cambiar el mundo, sobre todo en el terreno médico. La acción de las nuevas tecnologías podría suponer un avance fundamental en la curación de enfermedades cancerígenas, neurodegenerativas, cardiovasculares o inmunológicas, y al mismo tiempo fomentar la terapia génica. Es lógico, por tanto, que su estudio cree unas expectativas tan altas, y que desde luego, hoy nadie ponga ya en duda que el futuro es “nano”.

 

Vicente Bustillo

 

 

Nanotecnología, Medicina en miniatura

Pero, ¿qué es realmente la nanotecnología? Se podría definir como el estudio, diseño, creación, síntesis, manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales a través del control de la materia a nano escala, y la explotación de fenómenos y propiedades de la materia dentro de la misma perspectiva. La medida con la que trabajan los investigadores es el nanómetro, que representa la millonésima parte de un milímetro. Para poder ver a simple vista una nanoestructura, tendríamos que ampliarla más de 10 millones de veces. La gran ventaja que ofrece es que cuando se manipula la materia a la escala tan minúscula de átomos y moléculas, demuestra fenómenos y propiedades totalmente nuevas. Por lo tanto, los científicos utilizan la nanotecnología para crear materiales, aparatos y sistemas novedosos y poco costosos con propiedades únicas.

Aunque es ahora cuando más reiteradamente se habla del término, las primeras voces que dieron las pistas sobre esta disciplina lo hicieron hace casi 50 años. Por aquel entonces, el físico Richard Feynman, ganador de un Premio Nóbel, impartió una conferencia en el Calltech, el Instituto de Tecnología de California, en la que ya planteaba el problema de manipular y controlar las cosas a pequeña escala. "Los principios de la física, tal y como los entiendo, no niegan la posibilidad de manipular las cosas átomo por átomo", dijo Feynman. "Al nivel de lo atómico, muchas cosas nuevas podrán suceder. Si nos reducimos y comenzamos a juguetear con los átomos allá abajo estaremos sometidos a unas leyes diferentes, y podremos hacer cosas diferentes".

A pesar de estos planteamientos, la pista no fue seguida y pasarían más de 20 años hasta que, a principios de los 80, el científico Kim Eric Drexler retomase la idea en una tesis doctoral titulada "Los motores de la creación", que ya anunciaba el inicio de una nueva era.

Al comienzo del libro, Drexler planteaba su idea de desarrollar una tecnología para manipular el orden de los átomos: "Carbón y diamantes, arena y procesadores de computadoras, cáncer y tejido sano: a través de la historia las variaciones en el orden de los átomos han diferenciado lo barato de lo caro, lo sano de lo enfermo. Cuando están ordenados de una manera, los átomos forman el suelo, aire y agua; si los colocamos de otra manera, obtendremos una fresa madura. De una forma producen hogares y aire fresco, y de la otra cenizas y humo". En esa década fue cuando surgió la Microscopía Túnel de Barrido (STM) o de Fuerza Atómica (AFM), que hizo posible primero observar los materiales a escala atómica y, después, manipular átomos individuales.

Hoy, nadie pone en duda que el futuro es nano. Se trata de un área con enorme porvenir y que ya factura en el mundo 200.000 millones de euros. Y hacia el año 2015, el 15 por ciento del mercado tendrá que ver con lo nano y con la salud. Entonces será uno de los más importantes sectores en desarrollo. En los próximos años comenzaremos a conocer las nuevas aplicaciones, pero para eso todavía hay que pasar por un largo período de experimentación. "Desde principio del siglo XXI se ha acelerado mucho la investigación sobre todo en nanoelectrónica, pero más en las bases que en las aplicaciones", dice Fernando Briones, profesor de Investigación del Instituto de Microelectrónica de CSIC.

"Ahora es necesario abordar el trabajo de un modo interdisciplinar, ya no sólo como especialistas en física y electrónica, sino en campos situados en la frontera entre la biología, la química y la física. Al fin y al cabo, la vida es nanotecnología muy sofisticada. Todas las encimas, las proteínas o el adn, como memoria, son dispositivos nanotecnológicos basados en la química del carbono y desarrollados a lo largo de millones de años de evolución.

Los ingenieros electrónicos y físicos que hemos trabajado en los últimos 20 años en nanotecnología basada en las propiedades de los electrones, fundamentalmente física en estado sólido en silicio, nos hemos dado cuenta ahora de que la naturaleza nos ha ganado la partida y que hay que aprender de ella a desarrollan sistemas nanométricos, bio-inspirados y fabricados con métodos similares a los que utiliza la vida".

Los expertos advierten que las primeras herramientas relacionadas con la salud tardarán en llegar, aunque todos apuntan al campo del diagnóstico como primer campo de ensayo

Primeras aplicaciones en el diagnóstico

Los trabajos que se llevan a cabo en la actualidad en esta materia no están ligados a una aplicación inmediata sino al estudio de los materiales biológicos con la idea de utilizarlos posteriormente. Y aunque los expertos insisten en que las primeras herramientas relacionadas con la salud aún tardarán en llegar, todos apuntan al campo del diagnóstico como el primero en el que se probarán instrumentos de nanotecnología. "Normalmente, diagnosticar es más fácil que curar, por eso creo que cuando encuentre su nicho en este área, posiblemente sea antes en aplicaciones de este tipo", avanza José María Mato, director del CIC bioGUNE y del CIC biomaGUNE y patrono de la Fundación de Ciencias de la Salud.

El nuevo diagnóstico molecular será más sofisticado y preciso, y permitirá identificar enfermedades genéticas, infecciosas o, incluso, pequeñas alteraciones de proteínas de forma precoz. Muchas lesiones que actualmente se diagnostican de manera complicada por la limitación de agentes de contraste, se verán beneficiadas, ya que la nanotecnología puede crear nuevos agentes más específicos, que atraviesen, por ejemplo, la barrera hematoencefálica.

La posibilidad de miniaturizar y crear nuevos chips abrirá una novedosa posibilidad de diagnóstico en laboratorio, ya que recogen grandes cantidades de información trabajando a una escala muy pequeña. Con los biochips a nanoescala es posible conseguir en poco tiempo abundante información genética, que permitirá elaborar vacunas, medir las resistencias de las cepas de la tuberculosis a los antibióticos o identificar las mutaciones que experimentan algunos genes y que desempeñan un papel destacado en ciertas enfermedades tumorales. Además, unido a la tecnología de la imagen, como puede ser resonancia magnética, podría hacerse diagnóstico con imagen a través de partículas radioactivas.

"Todo esto contribuirá al diagnóstico temprano de tumores o de lesiones cardiovasculares, porque se pueden hacer agentes de contraste mucho más específicos", aclara Mato. "Estas nanopartículas se pueden desfuncionalizar mejor que ningún otro agente y uno puede tener en una misma partícula un anticuerpo, un agente fluorescente, un agente con una cierta emisión de radiación… Ése es su potencial. Para el médico, el futuro la nanotecnología servirá sobre todo como agente diagnóstico".

Por otro lado, los expertos señalan la importancia de los biomateriales, materiales que pueden aplicarse en la utilización de tejidos, elementos de los tejidos u órganos mediante sistemas híbrido entre los biológico y lo inorgánico. Diversos investigadores están trabajando en la estructuración de materiales, utilizando biomoléculas o híbridos de biomoléculas con otros componentes inorgánicos para sustituir elementos biológicos dañados por otros elementos artificiales que pueden cumplir determinadas funciones de tipo estructural o, incluso, funcional.

Fármacos inteligentes

Hay otra área importante de actuación en el campo de la salud: los fármacos inteligentes. Estos nuevos medicamentos serán capaces de llegar hasta los puntos determinados de destino. "La liberación de fármacos en el interior del organismo de una forma controlada y dirigida es una de las áreas de mayor interés médico", piensa José Luis Carrascosa, profesor de Investigación del Centro Nacional de Biotecnología de CSIC. "Puede suponer una gran ayuda a la hora tanto de dirigir los fármacos hacia dianas determinadas, evitando efectos secundarios indeseables. Además, permitirán conseguir una eficacia mayor porque este tipo de materiales pueden ir liberando los fármacos de una forma controlada en el tiempo, de modo que conseguiremos una eficacia espacio-temporal en la aplicación del fármaco muy grande".

Otra área de interés en la aplicación de estas técnicas la constituyen los fármacos inteligentes capaces de llegar hasta su punto de destino

Todas estas novedades también supondrán grandes ventajas para el paciente, aunque todavía no se pueda predecir cuando dispondrá de ellas. "En el caso de los diagnósticos, se beneficiará de mejores y más tempranas pruebas", asegura Mato. "Y en el caso de los medicamentos, también notará el cambio. Hasta hace unas décadas, las pastillas eran simplemente un producto más o menos machacado y compactado, después fueron apareciendo las microcápsulas y ahora existen grandes expectativas en torno a la nanoencapsulación. Estas partículas tendrían posibilidades de atravesar mejor distintas barreras del cuerpo humano. En el área de biodisponibilidad también hay muchas expectativas, pero es un campo en el que el 90 por ciento es investigación y el 10 por ciento, aplicaciones".

Todas estas pruebas son llevadas con prudencia, puesto que las aplicaciones biomédicas no abarcan únicamente la ciencia básica, sino que conllevan una aplicación posterior en seres humanos. Por tanto, son necesarios muchos estudios de toxicología y efectos secundarios. Pese a eso, ya conocemos algunas de las enfermedades que la nanomedicina ayudará a combatir, como el cáncer, las enfermedades infecciosas o la diabetes. En el caso del cáncer, la escala molecular permite detectar precozmente la enfermedad, identificar y atacar de forma más específica a las células cancerígenas. En cuanto a las enfermedades infecciosas, el diseño de nuevas partículas administrará, en forma de simples gotas nasales, algunas vacunas que hasta ahora debían inyectarse. Respecto a la diabetes, se está estudiando la posibilidad de usar nanopartículas como vehículos para administrar insulina por vía oral, nasal o pulmonar.

Las posibilidades que se prevén en relación a este tipo de materiales hacen pensar que su desarrollo será imparable. Incluso, muchos consideran ya que supondrá el comienzo de la tercera revolución industrial. Ante estas grandes expectativas, otros prefieren ser cautos y hacer una llamada de atención sobre lo exagerado de las expectativas, temiendo que tanto revuelo sea contraproducente para el desarrollo de las nuevas tecnologías. "Hay que ser precavidos", advierte el profesor Mato. "Sí que hay un poco de exageración. Mucha gente cree que en el futuro todo va a ser nano, pero por supuesto que no será así. Tenemos que tener en cuenta la experiencia pasada sobre tecnologías de las que se creía que iban a resolver múltiples problemas y luego no ha sido así”.

La acción de las nuevas tecnologías podría suponer un avance fundamental en la curación del cáncer, enfermedades neurodegenerativas, cardiovasculares, inmunología y fomentar la terapia génica. Además, el uso de la nanotecnología en la Medicina puede tener aplicaciones directas en la mejora de la salud y la calidad de vida de las personas empleando un coste sanitario más reducido.

Es lógico, pues, que su estudio cree unas expectativas tan altas. "Yo creo que si la esperanza es que vamos a curar las enfermedades a corto plazo y esto va a ser la panacea universal, sí que es desmesurada", apunta el profesor Carrascosa. "Si por el contrario pensamos que esta nueva perspectiva a nivel nanoscópico nos va a abrir unas posibilidades que ahora no tenemos para la manipulación y el diseño de nuevas herramientas que permitirán producir nuevos instrumentos y acceder a posibilidades para la cura de enfermedades, entonces esta fiebre por lo nano sí que está muy justificada.

Realmente, la nanociencia y la nanotecnología están abriendo una serie de alternativas equiparables a las que en su momento abrió la biotecnología. La biotecnología en sí misma no ayudó a resolver ninguna enfermedad, pero indudablemente generó las herramientas que posibilitaron la aproximación a la cura de enfermedades o a la producción de determinados tipos de fármacos nuevos. Es ahora cuando vemos el fruto de aquellas expectativas. Supongo y espero que con la nanotecnología pase algo parecido, corregido y aumentado, naturalmente".
 

Dudas ante su efectividad

Pero también hay voces que se muestran recelosas ante la efectividad de los nuevos instrumentos y tratamientos que se investigan. Los críticos de la nanotecnología temen que ésta repercuta negativamente en el medio ambiente, o que contribuya a ampliar la brecha entre el mundo en vías de desarrollo y el industrializado. El profesor José María Mato es partidario de que se impulsen los proyectos sobre los posibles efectos secundarios, tóxicos o ambientales de estas tecnologías. "Aún no hay fábricas produciendo nanofármacos, nanoagentes de contraste o nanocatalizadores, pero es un área en el que la Unión Europea está dispuesta a poner mucho dinero. Antes necesitamos estar seguros de que estas partículas tan pequeñas no tienen efectos ambientales o tóxicos.

En definitiva, es un área nueva de investigación muy atractiva y hay que experimentar con todas las posibilidades que ofrece, aunque seguramente los resultados sean menores de lo que ahora esperamos. Podríamos considerar un éxito si encontramos un buen nicho y descubrimos un mecanismo para diagnosticar algunas enfermedades a través de chips que ahora se diagnostican mal. De esta forma, en los próximos 10 años comenzaríamos a usar productos de este tipo, pero dudo que haya algo a la vuelta de la esquina en el área de la salud, salvo tal vez en el diagnóstico o la medición de genes".

La situación de la nanotecnología en España es contradictoria, como coinciden en afirmar todos los expertos. Por un lado, existen muchos grupos de investigación cuyo personal se ha ido formando en España y en el extranjero (a través de estancias postdoctorales de larga duración) en diversas técnicas y metodologías que están directamente relacionadas con la nanociencia. Ese grupo de jóvenes investigadores ha crecido científicamente dentro de un contexto en el que la misma nanociencia ha ido surgiendo. Por otro lado, no existen todavía demasiadas iniciativas desde las Administraciones por impulsar el trabajo de los investigadores.

"En toda Europa hay mucha gente que habla de nanotecnología, pero pocos trabajan en ella", reconoce el profesor Mato. "En España hay varios grupos que están haciendo trabajos de nanotecnología excelentes. No hay muchos, pero la investigación es de primer nivel. Además, participan en proyectos europeos y publican en buenas revistas. Hay un grupo relativamente pequeño pero muy activo trabajando en esta área. Pese a todo, hay que reconocer que nos hemos subido tarde a este carro. Ha habido países, como Estados Unidos o Japón, que han puesto grandes cantidades de dinero hace 4 ó 5 años. Incluso, la Unión Europea ha entrado algo tarde. Y España ha ido al mismo tiempo que Europa.

No ha sido de los primeros en salir, ha comenzado las investigaciones modestamente y ha sido desde hace un par de años cuando ha empezado a arrancar, sobre todo en este último año con el proyecto Consolider de nanotecnología. También hay un par de estudios en colaboración con industrias farmacéuticas que tienen que ver con nanotecnología y yo creo que entre este año y el que viene se empezarán a ver inversiones más importantes".

Con respecto al terreno de la salud, en este momento hay varios frentes abiertos en España. Uno de ellos es un programa de los Centros de Investigación Biomédica en Red (CIBER), impulsado por el Ministerio de Sanidad en colaboración con el Instituto de Salud Carlos III que abarca el campo de la bioingeniería, biomateriales y nanomedicina y agrupa a un conjunto de grupos de investigación repartidos por España. Este proyecto se desarrollará hasta el año 2010 y está dotado con cinco millones de euros anuales para dedicar a la investigación.

Entre los centros que trabajan en este programa está el CIC biomaGUNE que dirige Mato. "Este centro lo estamos empezando a poner en marcha con un grupo de investigadores que desarrollaron y patentaron una nueva biotecnología para hacer nanopartículas de oro, que pueden modificarse con unas cadenas de carbohidratos y que son enormemente flexibles químicamente. Se las puede poner anticuerpos, fármacos… Por ejemplo están en un proyecto europeo sobre vacunas, que tiene como objetivo final impulsar el desarrollo de vacunas contra el sida.

También trabajan en crear nuevos agentes de contraste para resonancia magnética y tienen abierta otra línea de investigación para vehiculizar fármacos. Todos están basados en nanopartículas en oro. De hecho, existe un proyecto europeo que se llama Nanogold, coordinado por ellos, y está basado fundamentalmente en este descubrimiento. Agrupa a unos 15 grupos de investigación que están utilizando partículas de nanooro para hacer múltiples investigaciones y aplicaciones".

La medida con la que trabajan los investigacores es el nanómetro, que representa la millonésima parte de un milímetro

Otro de los frentes de la investigación en España dentro de esta área es la Acción Estratégica de Nanotecnologías, que financia cuatro decenas de proyectos, seleccionados entre un total de 200 presentados. Este programa se enmarca dentro del vigente Plan Nacional de I+D+i para el período 2004-2007, que contempla la nanotecnología como una de las líneas prioritarias. La primera convocatoria de la que da cuenta del inmenso potencial con el que cuenta España para este tipo de proyectos.

Impulso de las Administraciones

En los últimos meses, además, el Ministerio de Educación y Ciencia también ha impulsado la nanotecnología como uno de los 17 proyectos Consolider financiados en el marco del programa Ingenio 2010. Su desarrollo contará con una partida de 4,5 millones de euros, y ya existen al menos una decena de empresas interesadas en la iniciativa. Para desarrollar la investigación, se formarán varios grupos de trabajo coordinados por el Instituto de Nanociencia de Aragón. Pero su dimensión es nacional, ya que participan otros siete centros. Se trata del Instituto Catalán de Nanotecnología, el Centro de Micro Electrónica de Barcelona, el IN2UB de la Universidad de Barcelona, y las universidades de Santiago de Compostela y Vigo. Asimismo, cuenta con el apoyo de la Generalitat de Cataluña y la Xunta de Galicia y el compromiso de colaboración financiera del Gobierno de Aragón. La investigación propuesta se desarrollará en conexión cercana con los socios industriales que ya están colaborando con el Instituto de Nanociencia de la Universidad de Zaragoza en determinados proyectos o que han mostrado interés en este campo. El apoyo a este equipo producirá un avance significativo desde el punto de vista de la ciencia y también para la transferencia tecnológica.

"Hay centenares de proyectos que están explorando distintos aspectos de estos materiales", asegura el profesor José Luis Carrascosa. "La mayor parte de ellos están muy centrados en las aplicaciones médicas, tanto en el diseño de materiales biomiméticos (materiales que tengan propiedades similares a las moléculas biológicas) como en el uso de moléculas biológicas fuera de su entorno natural para generar un tipo de función que está diseñada en función de su hibridación con otros materiales. Además, también se está explorando el campo de la liberación de fármacos. Creo que esas son las áreas donde este momento hay mayor cantidad de proyectos. Pero, por supuesto, también hay trabajos para el diseño de herramientas y el análisis de estos agregados moleculares a escala nanoscópico a nivel individual".

Perspectivas de futuro

El radio de acción de la nanotecnología no se ciñe en torno al campo de la salud. Mirando hacia el futuro, las perspectivas que abre la nanotecnología son enormes en áreas muy diversas. Según un informe sobre la situación de la nanociencia y la nanotecnología en España elaborado por la Red Española de Nanotecnología, a lo largo de las próximas dos décadas, los expertos de nuestro país creen que se obtendrán potenciales que ahora parecen de película de ciencia ficción. Uno de ellos es el aumento en varios órdenes de magnitud de las capacidades actuales de almacenamiento de datos. Por ejemplo, un dispositivo de unos pocos centímetros cuadrados contendría la misma información que la almacenada en cientos de miles de libros. También se podrá manufacturar materiales y productos de abajo a arriba (bottom-up). Esto permitirá desarrollar procedimientos de manufactura que implicarán menos cantidad de materiales de partida, optimizando el consumo, y teniendo menos impacto medioambiental.

Los investigadores prevén desarrollar también materiales 10 veces más resistentes que el acero pero que serán mucho más ligeros. Esto permitirá desarrollar mejores medios de transporte, más seguros, de menor consumo, lo que también determina un descenso en el consumo de combustibles fósiles. Estos desarrollos permitirían un avance sustancial en la fabricación de futuros vehículos y estaciones espaciales. Además, se podrán desarrollar computadoras y sistemas de transferencia de datos más rápidos y de una mayor integración, que superarán en miles de veces las prestaciones de los sistemas actuales. Esto permitirá que la revolución tecnológica basada en las comunicaciones siga profundizando en la sociedad y llegue a muchas más personas por el abaratamiento de costes.

El gran objetivo de los investigadores españoles es el diseño y desarrollo de sistemas de vehiculización de moléculas activas hacia el órgano diana

Asimismo, se crearán minúsculos sensores de muy bajo precio, capaces de controlar multitud de parámetros, de forma que muchos procesos industriales o de la vida cotidiana se hagan más precisos y seguros (conducción vial, detección de contaminantes, electrodomésticos inteligentes, etc). Las investigaciones esperan dar, igualmente, con sistemas de extracción de contaminantes tanto del agua como del aire, de forma que el medio ambiente sea más limpio y permita un crecimiento sostenido en las grandes concentraciones urbanas que ya existen o surgirán a lo largo de las próximas décadas.

En el ámbito de la nanomedicina, el gran objetivo de los investigadores españoles es el diseño y desarrollo de sistemas destinados a la vehiculización de moléculas activas hacia el órgano diana, tras su administración al organismo humano o animal. Esta vehiculización permitirá mejorar la eficacia terapéutica y reducir la toxicidad de los fármacos. El diseño de los sistemas irá especialmente dirigido a moléculas activas complejas destinadas al tratamiento del cáncer, así como a proteínas biotecnológicas a plásmidos (terapia génica). En definitiva, fabricar sistemas de diagnóstico basados en moléculas complejas diseñadas para fines específicos.
 

Artículo de Vicente Bustillo, publicado en El Médico Interactivo.Febrero 2007.