07_Nanotecnologia

ARCH. OFTAL. B. AIRES; vol 80 nº 2 ; pág 88-92 ; 2009
La Nanotecnología Aplicada a la Oftalmología
García-Alcolea, Eglis E.
Facultad Cubana de Oftalmología. FOCSA.
Ciudad de La Habana. Cuba.
Departamento de Cirugía Experimental Oftálmica.
Mail: eglis@medired.scu.sld.cu
RESUMEN
La Nanotecnología es la ciencia que estudia la manipulación de los átomos estableciendo distintas configuraciones y haciéndolos reaccionar para
formar compuestos moleculares con propiedades y funciones preestablecidas. La Nanomedicina es una de sus ramas que permitirá la posibilidad
de curar enfermedades desde dentro del cuerpo y al nivel celular o molecular. Se realizó una revisión bibliográfica para exponer las aplicaciones
de la Nanotecnología en la oftalmología. Para ello se tuvo en cuenta la literatura disponible sobre el tema, durante el período septiembre a diciembre
de 2008.
Palabras Clave: Nanociencia; Nanotecnología; Nanomedicina; Nanooftalmología.
ABSTRACT
Nanotechnology is a science who studies atoms’ manipulation establishing different configurations and provoking reactions between them to form
molecular composts with preestablished properties and functions. Nanomedicine is one of its branches who will allow possibilities to cure diseases
from our body and also in cell or molecular level. A bibliography review was made to expose Nanotechnology application in ophthalmology taking
into consideration, for this research work, available bibliography from September to December 2008.
Key Words: Nanoscience; Nanotechnology; Nanomedicine; Nanoophthalmology.
INTRODUCCIÓN
Con respecto a qué es la Nanotecnología, es necesario aclarar
primero el significado del prefijo “nano”: éste hace referencia a
la milmillonésima parte de un metro (o de cualquier otra unidad
de medida). 1 Para hacerse idea de a qué escala se refiere,
se debe pensar que un átomo es la quinta parte de esa medida,
es decir, cinco átomos puestos en línea suman un nanometro.
Bien, pues todos los materiales, dispositivos, instrumental, etc.,
que entren en esa escala, desde 5 a 50 ó 100 átomos es lo que se
llama Nanotecnología. 2
Existen otras definiciones de ella 2, 5 , pero la mejor que hemos
encontrado es esta: la Nanotecnología es el estudio, diseño,
creación, síntesis, manipulación y aplicación de materiales,
aparatos y sistemas funcionales a través del control de la materia
a nano escala, así como la explotación de sus fenómenos y
propiedades. 2
Nos interesa, más que su concepto, lo que representa potencialmente
dentro del conjunto de investigaciones y aplicaciones actuales
cuyo propósito es crear nuevas estructuras y productos
que tendrían un gran impacto en la medicina. 2, 3
El padre de la “Nanociencia” es considerado Richard Feyman,
premio Nóbel de Física hacia 1959, quién propuso fabricar productos
en base a un reordenamiento de átomos y moléculas y
escribió un artículo que analizaba cómo los ordenadores trabajando
con átomos individuales podrían consumir poquísima
energía y conseguir velocidades asombrosas. 2, 5
Hoy día, este campo científico está orientado a la ciencia molecular
que hace posible diseñar microchips electrónicos capaces
de identificar en sólo ocho minutos, al colocar una gota de
sangre, las enfermedades que padeció la familia del paciente y
a cuáles puede ser propenso, así como el diseño de modernos
fármacos capaces de atacar el cáncer a nivel atómico sin causar
daño a las células sanas. 1, 2
Por lo anteriormente expuesto, está claro que el alcance de la
Nanomedicina sobre la integridad humana permitirá no sólo
preservar el estado de salud ideal, sino que, intervendrá directamente
sobre la terapia de patologías, el proceso de envejecimiento
y la mejora de las funciones biológicas humanas naturales.
Por lo interesante del tema y lo poco conocido por profesionales
de la salud, se decidió realizar este trabajo, para exponer las
aplicaciones de la Nanotecnología en la oftalmología y en un
futuro poder realizar estudios más complejos sobre esta técnica
aplicada a nuestra especialidad.
DESARROLLO
Nanociencia, Nanotecnología y Nanomedicina:
La Nanociencia es un área emergente de la ciencia que se ocupa
del estudio de los materiales de muy pequeñas dimensiones.
1, 3, 5
• El significado del prefijo “nano” es una dimensión: 10 elevado
a -9.
• Esto es: 1 nanometro = 0,000000001 metros.
• Es decir, un nanometro es la mil millonésima parte de un
metro, o la millonésima parte de un milímetro.
También: 1 milímetro = 1.000.000 nanometros. 1
Otra definición de Nanociencia es: aquella que se ocupa del estudio
de los objetos cuyo tamaño es desde cientos a décimas de
nanometros. 3
La Nanotecnología es la ciencia que estudia la ubicación y diseño
exacto de átomos, es decir, permite manipular los átomos
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uno a uno para formar distintas configuraciones y hacerlos reaccionar
para formar compuestos moleculares con propiedades
y funciones preestablecidas. Estas nuevas estructuras con
precisión atómica, tales como nanotubos de carbón, o pequeños
instrumentos para el interior del cuerpo humano pueden
introducirnos en una nueva era. Los avances nanotecnológicos
protagonizarán de esta forma la sociedad del conocimiento con
multitud de desarrollos y una gran repercusión en su instrumentación
empresarial y social.
2, 4, 6, 7
Nanomedicina: Es una de las vertientes más prometedoras
dentro de los nuevos avances tecnológicos en la medicina.
Se podría aventurar una definición situándola como rama de la
Nanotecnología que permitirá la posibilidad de curar enfermedades
desde dentro del cuerpo y al nivel celular o molecular. 7, 8
En cuanto a los alcances de la investigación en Nanomedicina,
Europa es quien emprende la mayoría de los grandes proyectos.
La Fundación Europea de la Ciencia, (European Sciencie
Foundation), asociación formada por 78 organizaciones de investigación
científica de 30 países europeos, es quien desarrolla
la política científica y legal destinada a reglamentar esta plataforma
tecnológica en el viejo continente. 9
Entre los avances en la Nanomedicina se señala que vendrán a
través del diseño de terapias multifuncionales y de sistemas de
liberación de fármacos de tamaño nanométrico que permitan
tratamientos más cómodos, seguros y eficaces para el paciente.
También se resaltó la innovación que supone el uso de herramientas
de diagnóstico y dispositivos para comprender la base
molecular de las enfermedades, predisposición y respuesta del
paciente a la terapia y el permitir la monitorización a niveles
molecular y celular. 10-13
Son muchas las ventajas que la Nanomedicina puede ofrecer a
la humanidad, sin embargo, dos fantasmas amenazan el éxito
europeo (tal vez mundial) de esta nueva aplicación tecnológica:
la aún escasa implicación del sector privado europeo en investigación
y desarrollo en Nanotecnología y la posibilidad de
que el público rechace los productos ‘nano’, como pasó con los
transgénicos. 3
Bases teóricas de la Nanotecnología:
El cuerpo humano está formado por tejidos, los tejidos por células,
las células por moléculas, mayores o menores, y éstas,
por átomos... Al llegar a nivel atómico es cuando se puede empezar
a hablar de nano escala. 4
Son las moléculas las que trabajan en las células, y es sabido en
medicina que los cambios moleculares en las células originan
muchas enfermedades. Por eso hay que utilizar moléculas concretas
para luchar contra ellas. A esas moléculas se les llaman
medicamentos. 14
Pero aunque las moléculas se miden a escala nanométrica, son
grandes zonas del cuerpo las que hay que poner bajo su influencia,
ya que no se puede trabajar de forma más localizada.
Es decir, hoy en día, se aplican “macro soluciones” generalizadas
a los “nano problemas” localizados. 4
El ejemplo del cáncer es muy significativo. La enfermedad es
fruto de un crecimiento anormal de los tejidos, y, aunque el
problema se puede entender a escala nanométrica, las medidas
que se toman son macroscópicas; se extirpan los tejidos dañados,
o se aplica quimioterapia y radioterapia. Estas dos últimas
técnicas, sin embargo, afectan todo el organismo. 12
En la medicina actual, hay una tendencia a utilizar instrumentos
más pequeños y técnicas más localizadas: crear nano robots
que trabajen de modo localizado. Sin embargo, ya existen avances
en Nanomedicina; la cámara endoscópica es un ejemplo. 13
En general, se han logrado aplicaciones para la medicina basada
en una tecnología de nano escala. Ahora el reto es encontrar
nano inventos que curen las enfermedades a escala nanométrica.
Aplicación de la Nanotecnología en la oftalmología:
1- Cirugía con LASER
Los electrones de un átomo describen órbitas redondas alrededor
de su núcleo central y pueden ser estimulados por un rayo
de luz incidente. Los electrones así excitados pasan a un nivel
de energético superior y describen una órbita elíptica, pero
ellos tienen que expulsar esta energía para poder regresar a su
órbita redonda inicial y lo hacen en forma de luz, es decir, emitiendo
un fotón. Este proceso se puede repetir en muchos otros
átomos, generando un fotón idéntico cada vez, cada uno de éstos
puede originar nuevas estimulaciones dando lugar a toda
una corriente de fotones viajando en serie. La luz así obtenida
se denomina LASER. La palabra LASER procede del acrónimo
en inglés Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
que significa en español: luz amplificada por la emisión estimulada
de una radiación. 15
Para que un haz de radiación genere algún efecto en el tejido,
es imprescindible que el tejido absorba eficientemente dicha radiación.
Así es comprensible que la velocidad a la que se deposita
la energía sea un parámetro importante para determinar el
tipo de efecto, además de los parámetros del LASER (longitud
de onda, tiempo de exposición, duración del pulso, potencia,
tamaño de la zona a irradiar) y de las características del tejido
(coeficiente de absorción, reflexión, transmisión y esparcimiento,
conductancia térmica).
15, 16
Los tipos de interacciones entre el LASER y los tejidos son: 15-18
EFECTOS IONIZANTES
Fotodisrrupción
La alta potencia de los láseres con longitud de onda en el infrarrojo
y pulsos muy cortos (nano o pico segundos) provocan
estallidos ópticos (efecto mecánico) y las ondas de choque
irrumpen en los tejidos vecinos, desintegrándolos. El Nd YAG
LASER es el mejor ejemplo para este tipo de acción. Este tipo
de LASER debe ser cuidadosamente enfocado sobre la estructura
que se quiere perforar. Es especialmente útil para tratar las
opacidades de cápsula posterior y hacer las iridotomías periféricas
para prevenir el glaucoma por cierre angular.
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EFECTOS FOTOQUÍMICOS
Fotorradiación
Es el caso donde se inyectan sustancias que absorben la luz de
determinada longitud de onda (cromóforos: agua, hemoglobina,
melanina, verteporfina, etc). Estas sustancias producen una
mayor sensibilización de los tejidos al efecto del LASER sin
provocar daño a estructuras vecinas. Así se destruyen tumores
y vasos neoformados.
Ejemplos: LASER de 689 nm con verteporfina como cromóforo.
Fotoablación
La energía que contienen los fotones ultravioletas (λ= 180 a 380
nm) puede ser suficiente para romper los enlaces entre átomos
que comparten electrones y “evaporar” el tejido sobre el cual
actúan sin daño térmico alguno a los tejidos vecinos. El LASER
de excímeros de Argón-Flúor (ArF) es el más utilizado de este
grupo en oftalmología. Este tipo específico de LASER es absorbido
por la córnea y permite tallarla para modificar su poder
refractivo. Por ello se utiliza en cirugía refractiva para corregir
miopía, hipermetropía y astigmatismo.
EFECTO TÉRMICO
El efecto macroscópico fundamental se debe al aumento local
de la temperatura a consecuencia de la absorción de fotones
por las moléculas y la conversión de esa energía luminosa
a cinética por las colisiones inelásticas entre las molécula excitadas.
El efecto térmico es inducido tanto por láseres continuos
como pulsados. Según la temperatura generada, los efectos en
los tejidos pueden ser:
Fotocoagulación
La luz visible o la infrarroja son absorbidas por el tejido diana
o por el tejido vecino, lo que genera calor que logra desnaturalizar
las proteínas. Este es el caso del LASER Argón para la retina
(epitelio pigmentario) o el LASER Holmium para la córnea.
El LASER Argón se utiliza para tratar lesiones en la retina
(membranas neovasculares en la degeneración macular o para
retinopatía diabética u oclusión venosa. El LASER Holmium
actúa sobre la cornea produciendo pequeñas quemaduras que
al ser adecuadamente colocadas la incurvan para corregir la hipermetropía.
Fotovaporización
Se producen muy altas temperaturas a nivel celular con rápida
ebullición del agua y vaporización que produce disrupción
de los tejidos. El corte o microdisección se produce por expansión
del agua, sin efectos mecánicos. Ejemplos: LASER de CO2,
Nd-YAG.
2- Retinas artificiales
Se han completado las primeras intervenciones quirúrgicas
bajo las que se han implantado retinas artificiales para ayudar
a pacientes con diversos grados de ceguera. 2, 3, 19 La restauración
visual en muchas personas ciegas está cada vez más cerca
gracias a los pioneros trabajos de científicos como Alan Chow,
Gholam Peyman y José Pulido. 20-23
Chow y su hermano Vincent han inventado la llamada Retina
Artificial de Silicio (ASRTM), un microchip que mide menos de
una décima de pulgada y que es menos grueso que un cabello
humano. El ASRTM contiene 3.500 células solares microscópicas
que convierten la luz en impulsos eléctricos. El propósito
de este chip es reemplazar las células sensibles a la luz, los fotorreceptores
naturales, que se han dañado en muchas personas
ciegas. 22
De momento, los especialistas están evaluando sólo la seguridad
y efectividad del chip, colocando una versión reducida de
éste en un lateral de la retina. Las operaciones se realizan con
éxito y se espera que los pacientes recuperen algo de visión en
la zona afectada. 23
Las incisiones practicadas en la esclera no han sido mayores
que el diámetro de una aguja. A través de ellas, los cirujanos introducen
un dispositivo en miniatura que se encarga de extraer
el humor vítreo, reemplazándolo con una solución salina. Otro
dispositivo se emplea después para situar el implante tras la retina.
En un par de días, la burbuja de aire creada se ha reabsorbido
y los fluidos naturales han regresado a su nivel anterior.
Si los implantes son tolerados por el ojo, se realizarán nuevas
operaciones a mayor escala, lo cual devolverá la vista incluso
a pacientes en las etapas finales de la retinosis pigmentaria. 24
3- Nanopartículas aplicadas a las imágenes en oftalmología y
al diagnóstico biomédico
Los “puntos cuánticos” son nanopartículas semiconductoras
que cuentan con propiedades ópticas y eléctricas únicas. Cuando
se exponen a la luz, estas partículas nanoscópicas emiten
claramente colores diferentes dependiendo de su tamaño. (A
menor tamaño del punto cuántico, mayor la brillantez del color).
21
Aunque por décadas se han usado tintes fluorescentes en el
cuerpo humano con fines de imagenología biomédica, con frecuencia
son imprecisos y sólo son visibles por periodos cortos
de tiempo. Los investigadores biomédicos esperan que los puntos
cuánticos fluorescentes brinden una alternativa más luminosa,
más precisa y más duradera. 23
Los puntos cuánticos fluorescentes ya se utilizan en el rastreo o
la identificación de material biológico in vitro e in vivo en animales
(no en humanos) con propósitos de investigación. Ellos
pueden inyectarse a las células o adherirse a las proteínas con
el fin de rastrear, etiquetar o identificar moléculas biológicas
específicas. 24 La ventaja potencial de su utilización en imagenología
del interior del cuerpo humano es que ofrecen la “más
avanzada sensibilidad de detección”: una proteína simple, a la
que se adhiere un punto cuántico fluorescente, puede ser rastreada
dentro de una célula viva.
23, 24
Los puntos cuánticos diseñados con ingeniería nanológica ya
se emplean en la electrónica (en pantallas planas de computa-
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doras y televisores) pero no han recibido aprobación para usarse
en terapéutica o diagnóstico, en gran medida porque existe
la preocupación de que potencialmente sean tóxicos. El núcleo
interno de la mayoría está hecho de cadmio y selenio, que son
conocidos como causantes (en bajas concentraciones) de intoxicaciones
agudas y crónicas en vertebrados. En un intento por
hacerlos más seguros y biológicamente compatibles, su núcleo
y su cáscara interna se encapsulan dentro de un recubrimiento
bioactivo que los “funcionaliza” y los vuelve adecuados para la
Imagenología Molecular o el suministro de fármacos, por ejemplo.
Sin embargo, si el recubrimiento exterior se degrada, puede
dejar expuesto el núcleo tóxico. Los puntos cuánticos pueden
permanecer dentro de las células por semanas o meses,
pero no se conoce casi nada de cómo se metabolizan estas nanopartículas
dentro del cuerpo o cuáles son sus rutas de excreción.
21
4- Transplante e ingeniería de tejidos.
La Nanotecnología juega un papel clave en la ingeniería de tejidos
porque opera en la escala molecular y es capaz de integrar
materiales biológicos y no biológicos. 25 Por ejemplo, los
investigadores están utilizando estructuras nanoscópicas autoreplicantes
para crear colágeno artificial (es decir, proteínas de
tejido conectivo que son el componente proteico principal en
huesos, piel, dientes y tendones). Dado que las proteínas colágenas
son un componente estructural importante en los tejidos
y órganos corporales, los investigadores esperan utilizar colágeno
artificial nano-estructurado como andamiaje tridimensional
necesario para impulsar la regeneración celular y que así
crezcan células, tejidos e incluso órganos específicos dentro de
los que se destaca el tejido corneal. 26
5- Diagnóstico, prevención y tratamiento del cáncer ocular
Investigaciones ya realizadas han logrado desarrollar nanoaparatos
capaces de detectar un cáncer en la fase muy preliminar,
localizarlo con extrema precisión, proporcionar tratamientos
específicamente dirigidos a las células malignas y medir la
eficacia de dichos tratamientos en su eliminación. 25
Gracias al Proyecto Genoma Humano, los científicos saben
cada vez más sobre el desarrollo del cáncer, lo que a su vez crea
nuevas posibilidades para atacar la base molecular de esta enfermedad.
No obstante, hasta ahora los investigadores no disponían
de las innovaciones tecnológicas necesarias para convertir
importantes hallazgos moleculares en beneficios directos
para enfermos de cáncer. 8 Es aquí donde la Nanotecnología
puede asumir un papel clave, a través del desarrollo de avances
tecnológicos y herramientas capaces de transformar la capacidad
diagnóstica, terapéutica y preventiva de la medicina
actual. 26
Según un artículo en Technology Review, por primera vez un
equipo de investigación de la empresa Nanospectra Biosciences
ha logrado un avance científico que permitirá crear una
“bala mágica”, algo que los investigadores trabajando en tratamientos
contra el cáncer llevan años intentando desarrollar.
La idea es crear un tipo de bala que selecciona y destruye células
cancerígenas. 6 El equipo de Nanospectra ha logrado desarrollar
nanopartículas de cristal bañadas en oro capaces de invadir
un tumor y, cuando se calientan a través de un sistema
remoto, poder destruirlo. 10
La clave del alto grado de efectividad de este nuevo avance se
deriva de las dimensiones de las partículas. Ellas tienen un diámetro
de 150 nanometros, que según este equipo, es el tamaño
ideal para que puedan atravesar los vasos sanguíneos agujereados
de un tumor; esto podría permitir que se acumulasen en el
tumor más que en otros tejidos. Cuando se dirigen rayos de luz
infrarrojos a la localización del tumor, bien desde el exterior, o
bien a través de una sonda, las partículas absorben la luz y se
calientan. El resultado es que los tumores se calientan más que
10, 26
los otros tejidos alrededor, y se destruyen.
6- Otros: como la terapia génica y la farmacología aún continúan
en
13, 22
estudio.
Implicaciones éticas:
Las aplicaciones médicas de las tecnologías nanoescalares tienen
el potencial de revolucionar el cuidado de la salud al brindar
poderosas herramientas para diagnosticar y tratar las enfermedades
desde un nivel molecular. Sin embargo, el celo
actual en pos de tratamientos potenciados a nivel nanométrico
puede desviar los escasos fondos destinados a la investigación
y el desarrollo de la medicina y de los servicios esenciales
de salud, disminuyendo los recursos directos destinados a los
aspectos no médicos de la salud y el bienestar comunitarios.
Aunque se proclama que la Nanomedicina es una solución a
las urgentes necesidades de salud en el Sur global, en realidad
surge del Norte y la diseñan primordialmente para los mercados
ricos. El fin último de que la industria farmacéutica y trasnacionales
utilicen tecnologías nanoescalares es hacer que todas
las personas se vuelvan pacientes y que todo paciente sea
un cliente que pague por “medicar” sus afecciones sociales con
drogas y dispositivos que mejoren el desempeño humano. 27-29
Por eso, a los gobiernos de todo el mundo, les urge una amplia
evaluación participativa de los riesgos sociales y científicos, éticos,
culturales, socioeconómicos y ambientales de la Nanomedicina:
mantener el paso del cambio tecnológico requiere un
marco de trabajo intergubernamental que inspeccione y valore
la introducción de nuevas tecnologías. La Asamblea Mundial
de la Salud es la máxima encargada de emprender un análisis
exhaustivo de la misma que contemple un contexto de salud
social más amplio. 28
La Nanotecnología Molecular es un avance tan importante que
su impacto podría llegar a ser comparable con la Revolución
Industrial, pero con una diferencia destacable: en el caso de la
Nanotecnología el enorme impacto se notará en cuestión de
unos pocos años, con el peligro de estar la humanidad desprevenida
ante los riesgos que ello conlleva.
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CONCLUSIONES
- Al definir la Nanociencia, Nanotecnología y Nanomedicina se
logró establecer la coherencia conceptual entre las bases etimológicas
del prefijo nano y las áreas del conocimiento conocidas
como Ciencia, Tecnología y Medicina.
- La comprensión de las bases teóricas permitió fundamentar
las amplias posibilidades de aplicación de la Nanotecnología
en la medicina.
- Se confirmó la creciente aplicación de la Nanotecnología en la
oftalmología en áreas como: cirugía con LASER, retinas artificiales,
Imagenología, transplante de tejidos y cáncer.
- Se evidenció la necesidad del enfoque ético intergubernamental
en esta rama de la Ciencia.
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