Nanomedicina: Aplicaciones contra el cáncer

Abstract— Nano medicine is the medical diagnosis, monitoring and treatment at the level of individual molecules or molecular assemblies, for the preservation and improvement of human health. The development of platform for monitoring and diagnosis of cancer to his therapy devices is essential, where the basic application of the devices is intended to provide a monitoring in real time of the blood of the patient in the cancer cells, as well as the gradual release of drugs in the area where necessary.

Index Terms— Nanomedicine, Cancer, Cancer detection, Nanometers.

Introducción

Muchos países desarrollados incluidos Estados Unidos, Japón y otros países europeos están invirtiendo grandes cantidades de dinero en el desarrollo de la nano medicina. China y Rusia han comenzado también programas de investigación para promover la nanotecnología [10]. El sistema inmunológico consta de los órganos inmunes, las células inmunes y sustancias inmunes, que se dedican a la vigilancia, reconocimiento y eliminación de huéspedes hostiles. Inspirado por el sistema inmunológico, el nano robot se introdujo para diagnóstico en etapa temprana, la identificación y entrega de fármacos dirigidos contra estas enfermedades recientemente. En muchos países, el cáncer se ha convertido en el mayor asesino y el principal tratamiento es la quimioterapia [16-17]. La aplicación de la nanotecnología a la mejora de la salud humana permitirá tratar en futuro enfermedades, manipulando células o moléculas dentro del cuerpo humano [*].

La nano-medicina, implica el uso de nano-robots como cirujanos en miniatura. Este adelanto en nanotecnología podría permitir construir glóbulos rojos creados artificialmente llamados Respirocytes los cuales son capaces de transportar oxígeno y las moléculas de dióxido de carbono cuyo objetivo es proporcionar un reemplazo temporal natural de células sanguíneas en el caso de una emergencia. Así el Respirocytes cambiará literalmente el tratamiento de la enfermedad cardíaca [13]. La nanotecnología se dedica a la manipulación de átomos y moléculas que conducen a la construcción de estructuras en el rango de tamaño de escala nano-métrica. Estas tecnologías tienen el potencial para proporcionar detección precisa, en tiempo real la detección de células cancerígenas sin necesidad de preparación de la muestra. Estas técnicas pueden jugar un papel importante en la promoción de la detección temprana y tratamiento de la enfermedad [1]. La eficacia de los nano-dispositivos radica es su no intervención o en interferir en un nivel mínimo con el sistema inmune [6]. El cáncer tiene los desafíos de ser el ser individualmente diverso y heterogéneo, porque su tratamiento no ha cambiado mucho en décadas, en un régimen de cirugía, radiación y/o quimioterapia siguen siendo la opción terapéutica, cada una con sus propias limitaciones [2]. Una opción para el tratamiento y cirugía del cáncer, son los nanos robots, aún se espera que los avances en la medicina a través de la miniaturización de la micro-electrónica a la nano-electrónica. Sin embargo, es un factor decisivo en todos los casos determinar de forma precisa todos los tejidos malignos en el cuerpo del paciente. El desarrollo tecnológico y la capacidad de producir nano robots pueden resultar de las tendencias actuales y nuevas metodologías en el cálculo, fabricación y manipulación. Un reto importante ya en práctica, es el uso de CMOS como fuente de alimentación de los nanos robots que es una forma más eficaz y segura para garantizar el tiempo que sea necesario su funcionamiento. Este dispositivo es muy preciso, ya que no proporciona pérdidas significativas durante la transmisión. El suministro de energía es electromagnético [8]. Otras formulaciones de nano partículas son ventajosas sobre la quimioterapia convencional porque se pueden incorporar múltiples agentes terapéuticos y diagnósticos. La falta de medicamentos de la nano-escala para mejorar la terapia del cáncer es en gran parte debido a la ineficiente entrega [3]. En el caso de los diagnósticos, el objetivo es proporcionar información sobre las condiciones en el cuerpo, midiendo oportunamente parámetros específicos o las concentraciones de químicos, etc. Y más aún de proporcionar una concentración controlada de medicamentos en un lugar determinado, donde el medicamento es necesario [6].

Funcionamiento

El Nano-robot:

Un nano-robot puede definirse como un objeto fabricado artificialmente que circula libremente en el cuerpo humano e interactúa con células específicas a nivel molecular. La figura 1, muestra una representación esquemática de un nano-robot que pueden ser activados por la propia célula cuando es necesario. Una tensión inducida por enfermedades infecciosas o ataque, generalmente conduce a cambios en el contenido químico de la célula que, a su vez, desencadena los nano-robots los cuales pueden recubrirse con un agente diferente en función de su aplicación o tejido de destino. La cáscara externa es un punto crucial, porque tiene que ser reconocida como una parte del cuerpo (revestimiento inerte) y ser capaces de liberar distintos fármacos que no sean tóxicos en la escala nano-métrica. Estos nano-robots serán capaces de analizar cada uno de los tipos células antígenas de superficie para reconocer si la celda es saludable, qué órgano es el padre, así como casi toda la información acerca de la célula, y mediante sensores quimio-tácticos, ciertas moléculas y células pueden ser identificadas fácilmente y orientadas a la acción. [12]

• El Respirocyte:

Es un dispositivo nano-medico esférico hueco, de 1 micra de diámetro el cual serviría como un súper eficiente glóbulo rojo, proporcionando oxígeno. Cada nano dispositivo médico podrá ser diseñado para hacer un determinado trabajo, y tendría una única forma y comportamiento.

Fig. 1. Esta imagen muestra Respirocytes y glóbulos rojos de la sangre que fluye a través de un vaso sanguíneo. [13]

Cada nano-robot tendría su propio equipo y sensor para recibir los mensajes del médico y calcular y aplicar la respuesta adecuada. Puede ser programado para buscar las áreas que necesitan oxígeno y llegar muy rápidamente, una vez allí, podría suministrar cantidades mucho más grandes de oxigeno que un solo glóbulo rojo. [13-14]

• Retos y Métodos:

Dadas las limitaciones de comunicación descentralizada entre los nano-robots, la existencia de soluciones a los problemas que presentan por su tamaño, es inapropiado. Los nano-robots en el grupo sanguíneo son simples agentes de reflejos debido al entorno especial (es decir, el vaso sanguíneo). Pero para cumplir la tarea, los nano-robots deben cooperar y deben tener cierta información local sobre el medio ambiente para explorar. En lugar de adoptar soluciones descentralizadas existentes, nos centramos en biónica, método que puede hacerse durante las interacciones que ocurren naturalmente cuando nano-robots avanzan hacia su destino activo actualmente. La cooperación multi-robot es una tecnología crítica para nano-robots y nano-medicina. Coordinación de nano-robots para encontrar células cancerosas. Es difícil para un nano-robot decidir el momento y la dosis de medicamentos de liberación a la erradicación de las células cancerosas cuando se está acercando a la meta. Este método presenta un algoritmo de control basado en quorum Sensing (Qs) para controlar la población de robots y tasa de liberación de fármacos en el área del cáncer.

Destino final del Nano-robot

Un alto gradiente de intensidad de señal de la E-Cadherina es utilizado como identificación de parámetros químicos en la concentración de estos químicos específicos que se incrementan con la distancia así que una vez que se detecta la señal química, un nano-robot puede estimar el gradiente de concentración y avanzar hacia concentraciones más altas hasta que llega a la meta [18-19]. Cada nano-robot es un agente inteligente se supone que las sustancias químicas liberadas por las células de cáncer se llaman olor de cáncer de células (CCS). Cuando la difusión de productos químicos derivados del CCS desde el área del cáncer es detectado por nano-robots, mueven activamente un algoritmo específico. Cuando la concentración en una nueva posición de un nano-robot es superior al anterior, el nano-robot libera una sustancia química llamada comunicación Marker (coma) para alertar a otros robots. Los nano-robots dependen de sensores para detectar el cáncer.

Fármacos de liberados en el destino

Después de que los nano-robots encontraron el área objetivo del cáncer, es urgente estudiar las actividades ulteriores en el área de destino. Al llegar al cáncer los nano-robots estos liberaran las moléculas de los medicamentos para eliminar las células cancerosas a una velocidad adecuada para ser eficaz.

Algoritmo de comunicación

El Quorum Sensing es la habilidad de las bacterias para comunicarse y coordinar a través de moléculas de señalización química generando el algoritmo ya antes mencionado [20].

Fig. 2. Algoritmo de Comunicación de Bacterias [20]. Aplicaciones de la Nano medicina:

Nano-robots para la cirugía laparoscópica del cáncer:

La Laparoscopía comprende algunos sistemas robóticos diferentes, que puede utilizar control de voz o pedal, para dirigir los movimientos de un brazo robótico. Normalmente se utiliza una tarjeta de voz pre-programado que permite al dispositivo comprender y responder a las órdenes del cirujano. Las imágenes laparoscópicas son más estables, con menos cambios de cámara y colisiones de instrumento involuntario de un asistente humano inexperto. El cirujano controla los movimientos de los brazos del robot desde una consola a distancia, la escala del movimiento favorece la eliminación de temblores, lo que permite movimientos muy suaves y precisos.

En la cirugía los nano-robots se utilizan como herramienta integradas con transductores de alta precisión integrados para el mapeo de áreas específicas que requieren disección durante la cirugía, estos pueden ayudar a localizar objetivos médicos, reportando la invasión del tumor en las células, ahorrando tiempo y mejorando la productividad.

• Señales Químicas:

El monitoreo de la concentración de señales, sustancias químicas para la comunicación casi pueden atraer o derogar Nano robots y permiten estimar el número de cuántos se encuentran en el destino fijado. Sin embargo para detectar múltiples y diferentes productos químicos, requieren sensores adicionales para más de un producto químico. Además, la producción de productos químicos para la comunicación o transporte que liberan dichos dispositivos en el torrente sanguíneo cuando es necesario, puede exigir considerablemente energía y espacio crítico para un nano robot que debe permanecer en forma, con el fin de ser útil para la medicina [4].

• Sistema de implementación:

La forma exterior del Nano robot consiste en un material de diamondiod, que puede ser conectado a una superficie a una superficie de glycocalyx artificial, que reduce el fibrinógeno y otras proteínas de la sangre, garantizando la bio-compatibilidad suficiente para evitar el ataque del sistema inmune. Tipos diferentes de proteínas se distinguen por una serie de sensores quimio-tácticos cuyos sitios de unión tienen una afinidad diferente para cada tipo de estructura biomolecular. Estos sensores también pueden detectar los obstáculos que puedan requerir nueva planificación de trayectoria.

• Transmisión de datos:

Utilizando sensores integrados para la transferencia de datos es la mejor respuesta a leer y escribir datos en dispositivos implantados. Equipos de Nano robots pueden estar equipados con un solo chip RFID CMOS basado en sensores. Estos dispositivos podrían usarse para el consumo de energía extremadamente baja y comunicarse colectivamente a largas distancias a través de sensores acústicos. Para el sonar activo en los nanos robots, la frecuencia de comunicación puede alcanzar hasta 20&µW@8Hz en las tasas de resonancia con la fuente de 3V.

• Resultados numéricos:

En el estudio con 50 nano robots que realizan tareas similares en detectar y actuar sobre los objetivos médicos que demandan la intervención quirúrgica. Cada nano robot está programado para moverse a través del espacio de trabajo tele-operado por los cirujanos. El flujo del fluido empuja a la concentración de la señal de difusión aguas abajo. Por consiguiente, un nano robot si pasa unas pocas micras de la fuente ni detectará la señal mientras que todavía este relativamente cerca de la fuente. Por ejemplo, el primer nano robot en pasar cerca del ganglio linfático puede detectar en promedio la mayor concentración de la señal dentro de aproximadamente 0.16s. Por lo tanto, manteniendo su movimiento cerca de la pared del vaso, la detección de la señal ocurre después de que estos se han movido en mayoría 10&µm más allá de la fuente.

[8] Ingeniería de nano medicina para el desarrollo de nano-dispositivos, nano-biosensores NEMS, Nano-tubos y nano-cables para aplicaciones biológicas:

Los nano-materiales son sensibles sensores químicos y biológicos. Los nano-sensores con sondas de receptor bio-inmovilizados que son selectivos para el objetivo de analizar las moléculas. Pueden ser integrados en otras tecnologías como en un chip para facilita el diagnóstico molecular. Sus aplicaciones incluyen la detección de microorganismos en diversas muestras, monitoreo de metabolismos en fluidos corporales y la detección patológica de tejidos como el cáncer. Los nano-materiales translucen el evento de enlace químico en su superficie en un cambio extremadamente sensible de la conductancia del nano-cable en un tiempo real y de manera cuantitativa. Nano-hilos de silicio dopada con Boro [Br], se han utilizado para crear altamente sensibles los sensores para las especies biológicas y químicas. Los nano-hilos y los nano-tubos llevan a carga y excitación eficientemente y por lo tanto son bloques potencialmente ideales para la electrónica a nano escala y opto-electrónica. Nanotubos de carbono ya han sido explotados en dispositivos tales como transistores de un solo electrón, pero la utilidad práctica de los componentes de nanotubos para la construcción de circuitos electrónicos es enviar información, ya que no es posible aún crecer selectivamente nanotubos metálicos o semiconductores [1].

Termo sensible oro-liposoma híbrido nano estructuras para la terapia fototérmica de cáncer:

La terapia fototérmica para el cáncer está ganando importancia en los últimos años debido a la aparición de fármacos y la repetición observada en las estrategias convencionales de quimioterapia y cirugía. Aunque muchos grupos han sintetizado varias nano estructuras de oro para foto aplicaciones térmicas. La citotoxicidad y biodegradabilidad de estas partículas en el sistema fisiológico está aún por entenderse. En un pasado reciente, la resistencia de las células de cáncer a la quimio terapia está aumentando. Una nueva estrategia multimodal está garantizada para abordar el problema de estas células de cáncer resistencia a la quimioterapia. Los liposomas (DSPC: CH: POPG) fueron preparados por el método de hidratación de película delgada y se sometieron a la caracterización, de oro en nano cajas y nano cáscaras, que fueron elaboradas de forma galvánica en reemplazo de plantillas de plata. Los liposomas en nano cajas de oro encapsuladas, se sinterizaron por incubación preformado con liposomas con oro en la nano cajas en baño con agua bajo agitación continua y calor. El clúster de oro – liposoma se prepararon mediante la reducción de HAuCl4 (ácido clo-áurico) en la superficie de los liposomas preformados con la ayuda de ácido ascórbico.

• Experimentación:

El análisis cualitativo de láser mediante citotoxicidad fototérmica en la línea celular del cáncer, los controles no mostraron muerte celular. Cuando el láser se irradió en las células cancerosas se incubaron, al final de 5 minutos de la irradiación da como resultado muerte celular. Cuando es irradiado durante 10 minutos casi todas las células murieron, demostrando la citotoxicidad fototérmica del clúster de oro – liposomas.

Fig. 3. Liposoma encapsulado en nano cajas de oro.

• Resultados:

En el estudio con clúster de oro, se sintetizaron nano estructuras híbridas de liposoma para aplicaciones foto térmicas. Se caracterizaron utilizando DLS, TEM, ICP-AES y espectrofotometría UV-VIS. Estos fueron encontrados para ser extremadamente biocompatibles con la línea celular normal y también por ser biodegradables cuando se someten a irradiación láser NIR secuencial. Se observó que más allá de cierto punto de corte (aprox. 5 minutos), la muerte de la célula de cáncer era lineal al tiempo de exposición laser NIR. Este clúster de oro – liposoma de nano partículas, tienen la capacidad multifuncional que se puede utilizar en el campo dela administración de fármacos de cáncer y también en la proyección de imágenes [7].

Conclusiones

El avance de esta investigación es muy importante ya que, si la investigación y el desarrollo en la nanotecnología está fuertemente sesgada hacia los países desarrollados, las nuevas investigaciones podrían incluso exacerbar aún más la brecha del conocimiento científico y de recursos entre el mundo desarrollado y el mundo en desarrollo ya que los resultados de simulaciones y pruebas muestran que el algoritmo propuesto de comunicación funciona bien para diferentes tipos de variaciones, incluyendo condiciones diferentes con variada población y tasa de difusión.

El cáncer es un gran desafío de la vida moderna. Con el fin de curar esta enfermedad complicada, hay un llamamiento mundial para métodos innovadores y eficaces entre investigadores de diferentes campos, incluyendo la medicina, la biología, la ingeniería, las matemáticas, la química y la física, cuyo objetivo es disminuir el posible efecto secundario de medicamentos contra el cáncer ya que el portador del farmacéutico es un auto-organizado, auto-controlado y auto-diagnóstico gracias a su avanzada tecnología (Nano-Robot) la cual se basa en el algoritmo de "Quorum Sensing", a fin de tener autonomía y auto-organizado de los nano-robots transportistas, la cual puede detectar y responder al oxígeno.

La nanotecnología es el inicio de una nueva era para la detección y tratamiento del cancer, específicamente. Su alta precisión a niveles nanoscópicos son de gran ayuda para los cirujanos en procedimientos quirúrgicos. Los nano-sensores que disponen los nano-robots son programados para detectar diferentes niveles de químicos y así poder evaluar y precisar la ubicación de las células cancerígenas.

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Javier A. Veintimilla. Nació el 10 de abril de 1996 en Ximena, parroquia de Guayaquil. Se graduó en el Colegio Militar "Héroes del 41" de título Ciencias Generales, en Machala, Ecuador, en el año de 2013. A mediados de 2013 ingresó al SECAP donde un curso de Electrónica Analógica marcaría la dirección de sus estudios. A fines de 2013 se mudó a la provincia de Cuenca, Ecuador a continuar con sus estudios universitarios en la Universidad Politécnica Salesiana donde cursa el sexto ciclo de Ingeniería Electrónica.

Mario P. Llerena. Nació el 19 de diciembre de 1992 en Cuenca, parroquia el Sagrario. Se graduó en el Colegio Técnico "Julio María Matovelle"" con título de bachiller Técnico Industrial en mención de Electromecánica Automotriz. Actualmente se encuentra realizando sus estudios en la Universidad Politécnica Salesiana donde cursa el sexto ciclo de Ingeniería Electrónica.

Autor:

Javier A. Veintimilla.

Javier A. Veintimilla1, Estudiante de Ingeniería Electrónica, UPS – Cuenca – Ecuador, jveintimillap1[arroba]est.ups.edu.ec

Mario P. Llerena.

Mario P. Llerena2, Estudiante de Ingeniería Electrónica, UPS – Cuenca – Ecuador, mllerena[arroba]est.ups.edu.ec