Desafíos en os en Nanotoxicolog Nanotoxicología

El impacto de las Nanotecnologías
as
Desafíos en
Nanotoxicología
“….The
principles of physics, , as far as I can see
do not speak against the possibility of
maneuvering things atom by atom….”
R.Feynman, , 1959
Nanotecnologías
as: : las propiedades fisicas (optica,magneticas, electricas) ) de la
materia dependen de una escala critica:manipulando la escala es posible
modular el comportamiento fisico de la materia y aprovechar nuevas
propiedades para el desarrollo tecnológico de productos
NANOTECNOLOGIA É MULTIDISCIPLINAR
Engenharia
Elétrica
Física
Engenharia
Mecânica
NANOTECNOLOGIA
Química
Informação
Tecnológica
Ciências de
Materiais
Biologia
NANOTECNOLOGIAS:TOP DOWN - BOTTOM
UP
http://www.barrettresearch.ca/teaching/nanotechnology/nano06.htm

Los fundamentos basicos
Impacto económico
Aprox 4000 empresas nano en el mundo (75%
en EE.UU) ) (Nanobusiness(
Alliance)
2000 de ellas desarrollan productos
Mercado global estimado para 2015 (NSF):
entre1 y 2,6 billónes
de dólaresd
Inversión n actual en nanotecnologías
as:
€ 5mil millones (2mil millones de fondos
privados)
Movimiento actual en productos: aprox
US$50.OOO millones
Las 4 generaciones en el
desarrollo nanotecnológico
1 Generación:
n: nanoestructuras pasivas
(ej:nanoparticulas)
2 Generación:
n: nanoestructuras activas
3 Generación:nanodispositivos
n:nanodispositivos
4 Generación:nanosistemas
n:nanosistemas
¿QUE ES UNA
NANOPARTICULA?
Según n el comité ISO TC 229 WG 1 de
Nanotecnologías
as de terminología:
Es un nanoobjeto con las tres dimensiones en la
nanoscala
Nanobjeto: porcion de material en el cual alguna
de las tres dimensiones se encuentra en el
rango de la nanoescala
Nanoescala: : escala comprendida entre 1-100nm1
100nm
Sources of Nanoparticles
‣ Naturally Occurring
(Volcanoes, fires, viruses)
‣ Man-Made Made Emissions
(welding fumes, car exhausts)
Engineered
(Deliberately manufactured to
a
specific size/shape/structure)
Naturally occurring nanoparticles have been around for a
long time. Engineered nanoparticles are relatively new and
potential applications across a range of industries.

NANOPARTICULAS HECHAS POR EL HOMBRE:
APLICACIONES COMERCIALES
PANTALLAS SOLARES
COSMETICOS
CATALIZADORES
NANOCOMPOSITES
NANOFARMACEUTICA
PINTURAS
ANTICORROSIVOS
BASF
DEGUSSA
BAYER
EXXON
DUPONT
TEXACO
DOW
OTRAS………
INDUSTRIAS
Lipossoma
Nanopartículas
Lipídicas Sólidas
Nanopartículas
Poliméricas
Nanopartículas
Metálicas
Fulerenos
Nanotubo de Carbono

Nanoparticulas magneticas en
RMN
Nanopartículas
culas: : Determinantes de
toxicidad
Según n Maynard y Kuempel existen 2 criterios para
identificar nanomateriales que podrían constituir un
riesgo para la salud humana:
1-el material debe ser capaz de interactuar con el
cuerpo de tal forma que su nanoestructura se encuentre
biodisponible
2-el material debe ser capaz de provocar una respuesta
biológica que se encuentra asociada a la nanoestructura
Oberdoster sugiere establecer la relación n del posible
impacto en la salud humana a partir de la
nanoestructura de la partícula más m s que del diámetro de
la partícula.
Nanopartículas:Determinantes
de
toxicidad
El área o superficie expuesta al organo target:
Particulas de 3nm de diametro tiene 80% de los atomos en su sup mientras
que de 5 nm tienen un 40% en la superficie
La forma:formas mas chatas dispnen de atomos conmayor numero de
coordinacion dismniuyendo su reactividad respecto a las de forma esferica.
La reactividad química de la superficie (incluyendo recubrimientos o
coatings) ) particularmente si están n involucradas en reacciones generadoras
de RLO
Las dimensiones físicas f
de la partícula que le permiten penetrar en el
organo-tejido
tejido-célula o que impide su remoción n desde los mismos
Pr otra parte a menor tamaño o mayor radio de curvatura, menor
coordinacion(mayor numero de enlances”sueltos
sueltos” y entonces mayor
reactividad.
Tamaño crítico:ej
tico:ej: : clusters de Au55: tienen el tamaño o exacto que le
perrmite acomodarse e interactuar en la curvatura mayor del ADN
Posiblemente su solubilidad, en tanto que al ser solubles pueden
dispersarse en el medio antes de generar toxicidad
Nanoarquitecturas yreconocimiento
molecular

Micrografias por cryo-TEM
de uma fase hexagonal
reversa (b); fase cúbica
hexagonal reversa de uma
dispersão de Dimodan U (c),
vesícula a partir de uma
fase lamelar a partir
de uma mistura de
Dimodan U e lactato de
sódio esteárico (d);
dispersão de micela de
solução de polissorbato
80 (e).
Nanotoxicología
1- ¿Por qué Nanotoxicología? ? La necesidad de
Nanotoxicologia
2- Evaluación n y manejo de riesgo.
3- Estudios nanotoxicológicos
gicos: : estudios de
caracterización fisico-quimicos
quimicos, , estudios in vitro
e in vivo
4- la Microtecnología como herramienta de las
nanotecnologías
as: : MEMS en Nanotoxicología
5-Reflexiones
6-Conclusiones
Sagalowicz e col. 2006
La necesidad de Nanotoxicología
Nanotoxicología
Es necesario ante el desarrollo de una
nueva tecnología a estar un paso adelante
en términos t
de impacto en la salud y el
medio ambiente:
Evaluar los riesgos: estudios
toxicológicos, epidemiológicos
Manejar los riesgos: decisiones políticas,
sistemas regulatorios
Exposición
En el lugar de trabajo
En el medio ambiente
A través s de productos

El impacto ambiental
consumidor
www.nanotechproject.org/cosum
er
products
EXPOSICIÓN-RIESGO
EJ: NANOTUBOS DE CARBONO:
EXPOSICIÓN:ES
DIFICIL SU
INHALACIÓN
RIESGO:MUCHOS
ESTUDIOS
TOXICOLÓGICOS ALERTAN SOBRE SU
TOXICIDAD
IMPORTANTE
LA NANOTOXICOLOGIA PUEDE
RESULTAR UNA HERRAMIENTA
FUNDAMENTAL PARA LA
NANOMEDICNA AL GUIAR EL
DESARROLLO DE NANODISPOSITIVOS
TERAPEUTICOS MAS EFICACES Y
MENOS RIESGOSOS

IMPORTANTE:
Las dos caras de las
Nanotecnologías
as
IMPORTANTE
EL MISMO MATERIAL SE COMPORTA
DE DIFRENTE FORMA SI SE HALLA EN
LA MACRO-MICRO MICRO O EN LA
NANOESCALA,SE COMPORTA COMO
UN MATERIAL DIFERENTE
Laboratorio en Nanotoxicología
Caracterización fisico-qu
química
Estudios in vitro
Básicamente estudios en órganos aislados,
cultivo celular (una o varias líneas), l
piezas de
tejido, sistema subcelulares como microsomas
para estudios de inducción n enzimática (ej:P450(
ej:P450)
Se buscan conocer los mecanismos
toxicológicos agudos, subcrónicos
y crónicos
Los paradigmas actuales del mecanismo
toxicológico de nanopartículas
incluyen:
1.apoptosis,
2. disfunción n mitocondrial
3.stress oxidativo
Toxicodinamica de nanomateriales
II: alteración n de la transducción n y
vias de señales celulares

Toxicodinamica de
nanomateriasles:produccion de
RLO
Estudios in vitro: citotoxicidad
Pérdidad
de la integridad de membrana. Por ej ,dendrímeros
catiónicos: liberación n de LDH; exclusión n de triptan blue
Pérdidad
de actividad metabólica:
Incorporación n de ATP, tmidina con tritio, estudio de reducción n de
MTT
Pérdida de adherencia celular:
Estudio de fijación n proteica de sulforodamina B
Alteración n del ciclo celular:
Citometría a de flujo. Ej: : arresto en G1 de celulas renales de embrión
por nanotubos de carbono
Estudios in vivo:inmunotoxicidad
Unión n a proteínas plasmáticas (¿generaci(
generación n de haptenos?)
Estudios de coagulación
Activación n del complemento
Fagocitosis
Producción n de citoquinaspor macrófagos
Activación n de células c
NK
Quimiotaxis
Estallido oxidativo
Evaluación n de esterillidad a través s del test de contaminación n con
pirógenos (LAS TEST)
Evaluación n de contaminación n microbiológica
Estudios in vitro: : disfunción
mitocondrial
Relacionado con apoptosis celular pero también
con necrosis.
Mecanismos:
Apertura del complejo de poro de transición
Desacoplamiento de la fosforilación n oxidativa
Disfunción n del ADN mitocondrial
Inhibición n de la beta-oxidaci
oxidación n de ácidos grasos
Disrupción n de la cadena de transporte de
electrones
Estudios in vitro: : apoptosis y
disfunción n mitocondrial
Estudios de apoptosis:
Uso de biomarcadores: : activación n de caspasa 3:
se mide el clivaje de 4-aminofluorometil4
cumarina (AFC) a su forma libre fluorescente
cuantificandose los niveles de caspasa 3
Otros estudios: electroforesis para detectar el
patrón n escalonado de fragmentación n del ADN,
estudio de cromatina, etc.

Estudios in vitro:disfunción
mitocondrial: ensayos
Medición n de consumo de O 2 (vía a técnicas t
polarográficas
ficas)
Medición n de la actividad ATPasa (reacción n de
luciferasa)
Morfología(microscop
a(microscopía electrónica)
Cambios del potencial de la membrana
mitocondrial(ensayo de JC1 que mide la
acumulación n y luego disipación n de un fluoroforo
por cambios del potencial de membrana)
Estudios in vitro: organ target
toxicity
Se eligieron hígado h
y riñones como principales target de estudio.
Cultivos primarios de hígado h
(Sprague(
Dawley rats, , tendrían 10
veces mayor sensibilidad de modelar la hepatotoxicidad que los
cultivos de líneas l
celulares) y células c
de hepatoma humano Hep-G2
Con respecto al tejido renal se eligió células del túbulo t
proximal
LLC-Pk1 porcino
El riñon
fue detectado como el principal organo de excreción n de
nanopartículas
culas.
Algunos estudios detectaron nefrotoxicidad de quantumdots,
nanopartículas
de oxido de zinc revelada como proteinuria, cambios
histopatológicos o apoptosis de celulas de los tubulos renales
Ambos relacionado con se responsables del clearence de
nanopartículas
culas.
El hígado h
es el principal responsable en la captación, metabolismo
y excreción n de fullerenos, dendrímeros
y quantumdots
administrados de forma endovenosa
Estudios in vitro: : stress oxidativo
Ensayos:
Biomarcadores de productos de stress
oxidativo mediado por nanopartículas
culas:
Productos de la lipoperoxidación lipídica:
ensayo de malondialdehidoy acido
tiobarbitúrico
rico
Relación n glutatión n reducido/oxidado
oxidado–
ensayo de ditionitrobenzeno (DTNB)
Ensayo de DCFS para detección n de ROS
Toxicidad e interacción n con el
núcleo celular
Toxicidad:
Predominantemente por stress oxidativo
Mecanismo de pasaje: pasivo y/0 activo a
través s del complejo de poro nuclear
Estudios in vitro: : stress oxidativo
Estudios in vivo:estudios farmaco y
toxicológicos

Distribución:TOXICOCINETICA
Queda demostrado el importante papel de
sistema reticuloendotelial en la captación
de nanopartículas
culas.
Todo estudio nanotoxicológico
debe
enfatizar el estudio histopatológico de
hígado, bazo y medula ósea
Poros
Fenestraciones que permiten
exravasacion de nanoparticulas:
Vasculatura
BHE:aprox 1nm
Sinusoides en medula osea,bazo e
higado: : 100-1000nm
1000nm
Fenestraciones en vasos de
intestino,riñosn.glandulas
osn.glandulas endocrina sy
exocrinas: 50-60nm
TRASLOCACION PULMONAR SISTEMICA: LA
BARRERA ALVEOLO-CAPILAR
Nanoparticulas de oxido de zinc y
titanio:penetración dérmica
EN INVESTIGACION: EL ROL DELPASAJE
DE NANOPARTICULAS A TRAVÉS S DEL
EPITELIO OLFATORIO AL SNC
Deposición n de nanopartículas
en el
arbol rspiratorio según n su tamaño

Estudios in vivo: laboratorio e
histopatología
Estudios in vivo
Oberdoster señala 2 puntos a tener en cuenta a la hora de elegir el
correcto modelo animal que permita extrapolar resultados en los
seres humanos:
1-Utilizar dosis relevantes
2-Dado que en general los problemas de salud debido a polución
del aire se dieron en sectores de la población n afectadas por
porblemas cardiovaculares/respiratorios/
/respiratorios/perosnasperosnas ancianas, los
modelos animales deben corresponder a modelos como animales
transgenicos conestas características.
Escenarios posibles y ciclo de vida
de los productos nanotecnológicos
El estudio de escenarios posibles(ej: : derrame
de un efluente con nanopartículas
de hierro) a
través, por ejemplo de simulación n por
computadora puede ayudar a tomar medidas
preventivas para el futuro, de la misma forma
conocer todo el ciclo de vida de las
nanopartículas
(ej: nanotubos de carbono que
ingresan al medio ambiente durante el uso y
ruptura de un envase de alimentos y no durante
su producción)
Nanotoxicología: : Algunos
ejemplos
NANOPARTICULAS DE PLATA:
Una de las nanoparticulas de mayor
comercilaización actual:
- lavarropas con nanoparticulas de plata
Aguas con nanoparticulas de plata
Ropa con nanoparticulas de plata
Posiblemecanismo de toxicidad:
Daño o mitocondrial y membrana
celular:afectación de grupos tioles de las
proteínas.el
daño o mitocondrial precedería a a la
apoptosis

NANOTUBOS DE CARBONO EN
TERAPEUTICA
VACUNAS
DRUG DELIVERY DE EPO
HIPERTERMIA
NANOCABLES EN
NEUROREGENERACION
HERRAMIENTAS QUIERURGICAS
(ROBOTICA)
Nanotubos de carbono
NANOTUBOS DE CARBONO
ESTUDIOS IN VIVO CON
NANOTUBOS DE CARBONO

ESTUDIOS IN VIVO CON
NANOTUBOS DE CARBONO
Estudios nanotoxicológicos
in vivo:
ejemplos
Los nanotubos multipared serían
má pro inflamatorios y
profibrogenicos que las particulas de carbon (Muller et al 2005)
La exposición n a nanomateriales a nivel pulmonar produciria
inflamación n pulmonar y fibrosis por nuevos mecanismos (Schedova(
et al 2003)
Se observó citotoxicidad en queratinocitos en cultivo expuestos a
nanotubos de simple pared
El coating o recubrimiento de los nanomateriales impactaría a en su
toxicidad (Warheit(
et al,2005)
La deposición n pulmonar de nanoparticulas de poliestireno no solo
produjo toxicidad pulmonar sino tromobosis indicando no solo
una respuesta local sino sistemica a los nanomateriales.
Los fullerenos se unirían a la doble hélice h
de ADN alterando su
estructura y estabilidad (estudio de Zhao et al, 2005 a través s de
simulación n por computadora utilizando dinámica molecular)
Cronograma de los proximos 15
años
ESTADO ACTUAL EN LA EVALUACION
NANOTOXICOLOGICA
Tanto en Europa como en EE.UU abordado
através de varias instituciones,
EE.UU : FDA, EPA, NIOSH
FDA
Actualmente junto con el NCI (National(
Cancer Insitute) ) llevan a cabo estudios de
toxicidad a través s del NCL para
nanofarmacéuticos
(nanotechnology
characterization laboratory)
Las industrias pueden presentar un material
nanoestructurado para su ensayo
biológico
IMPORTANTE
LA HETEROGENEIDAD EN LA FORMA VARIABILIDAD
DE TAMAÑO O CRISTALINIDAD Y OTRAS
CARACTERSITICAS CARACTERISTICAS IMPIDEN
EXTRAPOLAR RESULTADOS
LA EXTREMADA VARIABILIDAD OBSERVADA EN LA
REACTIVIDAD QUÍMICA Y LA RESPUESTA
BIOLÓGICA POR PEQUEÑOS CAMBIOS EN EL
TAMAÑO O Y LAFORMA LLAMAN A PREGUNTARSE SI
ESTAMOS PREPARADOS PARA UN DESFÍO O DE
ESTA MAGNITUD
HASTA LA FECHA MUCHOS DE LOS ESTUDIOS D
EEFICACIA Y TOXICIDAD SIGUEN SIENDO LOS
MISMOS,PERO LA APARICIÓN N DE NUEVA
SPROPIEDADES
(CATALITICAS,OPTICASMMAGNETICAS)) EXIGIRÁN
EL DESARROLLO DE UNA NUEVA TENCOLOGÍA A DE
HERRAMIENTAS DE ESTUDIO

BioMEMS yAPLICACIONES
DE TECNOLOGIA DE
MICROFABRICACIÓN N EN
NANOTOXICOLOGIA
NeuroBioMEMS:NeuroChips
BioMEMS:los implantes de
microestructuras y la ISO10993

ISO 10993
Biocompatibilidad de dispositivos médicosm
Norma aplicable a la biocompatibilidad de BioMEMS
Ejemplos: marcapasaos,microchips implantables (como sensores,
microrerservorios para drug delivery,etc)
Consta aprox de 20 ensayos, entre ellos:
Test toxicidad sistemica, , toxicidad aguda,
subaguda,subcronica,ceonica,carcinogenicidad,mutagenicidad,genotoxicida
oxicida
d,irritación.sensibilizaci
n.sensibilización,testn,test de efecto local del implante (generación n de
cápsual
fibrosa)
Puede usarse el material o utilizar un extracto del mismo.
CONCEPTO: LA BIOCOMPATIBILIDAD DEPENDE DE LOS MATERIALES
POR LO QUE CADA MATERIAL DEBE SER TESTEADO,DEL
PROCESO,POR LO CUAL AUNQUE EXISTAN DATOS DE ESE
MATERIAL QUE ASEGURAN SU BIOCOMPATIBILIDAD,DEBE
TESTEARSE SI EL PROCESO POR EL QUE ATRAVESO ES DIFERENTE
Y EL PRODUCTO ES DIFERENTE.CADA PARTE DEL PROCESO DE
FABRICACIÓN N DEBE DEMOSTRAR BIOCOMAPTIBILIDAD.TAMBIÉN SE
EVALÚA A EL PRODUCTO FINAL.
BioMEMS : Drug delivery
Microchips
Estudios pre-cl
clínicos
El objetivo la toxicología pre-cl
clínica es determinar los órganos
target
de toxicidad y elegir la dosis adecuada para comenzar los estudios
de fase I en seres humanos
Para ello se busca:
El rango de dosis que no cause efectos adversos (NOAEL)
Las dosis letales (ejLTD(
10 )
Se eligen dosespecies animales una roedor y la otra no roedor
(mamíferos). De elección son las ratas por ser el mejor modelo
toxicológicoLa
forma de administración(v
n(vía, , dosis, intervalo de
dosificación) se adecúa a cuál l será la intención n clínica futura
Dado que muchos de los estudios llevarán n a la aplicación n clínica en
estudios de imágenes o en quimioterapia se utiliza en general la vía v
EV.
La vía v a oral para nanopartículas
sufre de pobre biodisponibilidad
BioMEMS: : El futuro de los ensayos
pre-clinicos
clinicos: : Animal on a chip
REFLEXIONES:
SINTESIS DE LABORATORIO VS SINTESIS BIOLÓGICA
CONCLUSIONES
Hace falta mayores recursos (humanos, económicos) en el estudio del impacto de las nanotecnologías
as en los
seres vivos
-estudios epidemiológicos
-estudios toxicológicos
Validar estudios in vitro para evaluacion de nanotoxicidad de nanoparticulas
Crear estandares de nanopartiuclas que sirvan como controles en los laboratorios para evaluacion de
nanotoxicidad
Importante el tabajo coordinado(ej:compartir una base de datos regional)para optimizar el trabajo (evitar overlaps)
Proveer un minimo de informacion sobrecaracterizacion fisisco quimica en los productos comerciales
Utilizar la informacion de la caracterizacion fisico quimica para predecir los mecanismos de toxicidad biológica
No puede extrapolarse lo que se conoce de particulas ultrafinas al de nanoparticulas diseñadas por el hombre,
aunque estos datos podrían ser útiles
La exposición n ocupacional es actualmente la mayor preocupación
No existen datos definitivos, el enfoque en el manejo de riesgo debe el nivel de incertidumbre existente y
planificar de acuerdo al mismo
Es importante conocer el método m
de sintesis de la nanparticula o nanomaterial, , esto puede modificar su perfil
toxicológico
La exposición n a nanoparticulas y nanomateriales presenta actualmente el mayor peligro a nivel inhalatorio y
dermatologico,pero al final otras vías v
como la V
O (produtos(
alimenticios) EV (nanofarmac(
nanofarmacéuticos)también tendrán n que tenerse en cuenta
Pensar que la mejor interface para estudiar lo nano es lo micro.MEMS constituira una herramienta fundamnetal
para la Nanotoxicologia

Referencias
***Bastus
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**Ziezuilewickz,Thomas
Ziezuilewickz,Thomas.. ..J,Unfritch
Darryl .W et al.Shrinking the Biological world. Nanobiotechnologies for toxicology.Toxicological Sciences 74,235-
244.2003
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