Un objetivo fundamental de la medicina de diagnóstico es ser capaz de diagnosticar problemas de salud lo antes posible, lo que permite a los médicos a tratar a los pacientes antes de que ocurra cualquier daño irreversible o de larga duración.
Acelerar el proceso de diagnóstico es un foco importante de la investigación. Estudios recientes incluyen uno que encontró una nueva prueba de sangre que podría predecir el riesgo de una mujer en la recurrencia del cáncer de mama casi 8 meses antes de que los signos visibles aparecieran.
Otro estudio publicado en agosto de 2015 identificó un compuesto natural que se encuentra en el aliento como un biomarcador de la fase inicial de la cirrosis del hígado. Este biomarcador podría formar un día la base de una prueba de aliento para diagnosticar esta enfermedad.
Un problema que surge con el diagnóstico de condiciones médicas es que los síntomas de algunas condiciones sólo surgen después de una cierta cantidad de tiempo. Por el momento en que estos síntomas llegan a la superficie, la enfermedad subyacente habrá progresado a una etapa en la que su tratamiento es mucho más complicado de lo que hubiera sido si el problema hubiera sido descubierto antes.
El ejemplo más evidente de este problema sería cánceres como el cáncer de páncreas que, a menudo, no causan ningún signo o síntoma durante sus primeras etapas, solamente causando síntomas una vez que el cáncer se ha diseminado a otras partes del cuerpo.
Pero este problema es muy común. Otro ejemplo sería cuando un implante – un implante de cadera, por ejemplo – se infecta o la inflamación hace que el tejido de la cicatriz sea prohibitivo formarlo. Por el momento se hace evidente que un implante de cadera se ha infectado, sin embargo, la única solución es retirar el implante y colocar uno nuevo.
En este contexto, Thomas Webster, profesor y director del Departamento de Ingeniería Química de la Universidad Northeastern en Boston, MA, habló sobre el trabajo actual de su equipo para hacer frente a este problema.
«Lo que nos dimos cuenta rápidamente es de que nuestro sistema de atención médica de hoy es mucho más reaccionario», dijo.
En este post, echamos un vistazo a cómo el profesor Webster y sus colegas, están tratando de alejarse de un modelo reaccionario de atención de la salud con el desarrollo de nanosensores – una nueva forma de tecnología que será capaz de controlar la acumulación de bacterias en implantes y advertir a los médicos cuando se requiere tratamiento antes de que el problema se intensifique.
Nanotecnología: pequeño tamaño, enorme potencial
Decir que la nanotecnología es pequeña sería un eufemismo – un nanómetro es una milmillonésima parte de un metro. Una hoja de papel es de alrededor de 100.000 nanómetros de espesor. Un nanotubo de carbono de pared simple con un diámetro de 1 nanómetro es 100.000 veces más pequeño que un mechón de pelo. En comparación, una hebra de cabello es 100.000 veces más pequeño que una casa de 10 metros de ancho.
Puede ser difícil de visualizar lo pequeño que es, pero los beneficios que vienen con la aplicación de la nanotecnología a la medicina son mucho más fáciles de ver. Los investigadores ya han logrado usar la nanotecnología para mejorar la proyección de imagen biológica de modo que los médicos pueden detectar acumulaciones de partículas minúsculas o señales moleculares asociados a problemas de salud.
El Prof. Webster comentó sobre sus proyectos anteriores en los que él y sus colegas han investigado el potencial del uso de nanopartículas para tratar infecciones bacterianas y virales.
Algunas infecciones bacterianas crónicas son causadas por bacterias que crecen en biofilms – lo que T. Bjarnsholt, de la Universidad de Copenhague, en Dinamarca, describe como «agregados limo cerrado.» Las biopelículas son la causa de condiciones tales como la neumonía en los casos de fibrosis quística e infecciones por implantes asociadas.
«Las drogas y los antibióticos no penetrarán estos biofilms», explicó el profesor Webster, «así que lo único que se puede hacer es operar y quitar ese biofilm casi a mano, para sacarla fuera del tejido.»
Las nanopartículas podrían cambiar este estado de cosas, sin embargo, como el profesor Webster informó:
«Así que hemos sido capaces de desarrollar estas nanopartículas que, en realidad, pueden penetrar los biofilms y luego matar a la biopelícula, regenerando el tejido sano en el proceso para que usted no necesite ese tipo de operación.»
En otra parte, el profesor Webster y sus colegas, han trabajado en el desarrollo de nanopartículas diseñadas para destruir virus específicos. Las nanopartículas de oro se hacen para insertarse en virus como el ébola o influenza; por calentamiento de las partículas con ciertas longitudes de onda infrarrojas, que a continuación, las nanopartículas pueden destruir la estructura del virus.
El Prof. Webster resumió lo que él considera como beneficios de la nanotecnología:
«Creemos que hay una fuerte promesa de la nanotecnología que se utiliza en la medicina, obviamente porque el pequeño tamaño le permite penetrar en las células, obtener dentro de las células y manipular su función de una manera que no se puede hacer con el material convencional.»
Hay enormes pasos que se pueden tomar en la medicina con la ayuda de la nanotecnología. En la actualidad, sin embargo, el foco para el profesor Webster y su equipo, es ver cómo esta tecnología puede ser utilizada para mejorar las formas convencionales de tratamiento, y aquí es donde los nanosensores entran en juego.
Un médico en el interior del cuerpo
«Idealmente, queremos crear sensores que se comporten muy parecido a las células naturales en el cuerpo,» explicó el profesor Webster. «Muchos de nosotros nos dicen que el cuerpo humano es el sensor final. Podemos sentir las cosas mucho mejor que cualquier otra que hayamos hecho sintéticamente hasta ahora.»
La construcción de un sensor, utilizando la nanotecnología para imitar las células inmunes humanas que circulan por el cuerpo, lo que indica que algo está mal y responder positivamente a los problemas que surjan, pueden ser posible algún día en el futuro, pero por ahora, sigue siendo un gran paso a tomar.
En cambio, el profesor Webster y su equipo, han optado por transformar dispositivos médicos convencionales que se implantan en el cuerpo, dándoles sensores – nanosensores – que pueden determinar un problema y responder a el, siempre y cuando se presente.
«Lo que hemos hecho como un primer paso, tomamos implantes de cadera de titanio – como un hospital lo compraría – y luego cultivamos material fuera de la superficie de ese implante de cadera, que en realidad puede detectar eléctricamente qué tipo de célula se atribuyer a la superficie» informó.
Los sensores, construidos a partir de nanotubos de carbono, son capaces de detectar si las células de fijación al implante son células óseas (como sería de esperar), bacterias o células inflamatorias. Los dos últimos tipos de células podrían indicar infección o formación de tejido cicatricial que puede causar problemas futuros para el paciente.
Incorporado en el sensor en una frecuencia de radio que envía señales a un ordenador externo, la que un médico puede acceder a toda la información transmitida por el sensor. A partir de esta información, por ejemplo, un médico puede ver si el implante es libre de bacterias, tiene una pequeña cantidad de bacterias que el cuerpo va a tratar, o un gran número de bacterias que requieren tratamiento antibiótico antes de una infección de pleno derecho puede afianzarse .
«Obviamente ese último escenario sería un escenario mucho mejor que lo que ocurre hoy en día», declaró el profesor Webster. «Esencialmente hoy, no sabemos si ha habido demasiada infección o exceso de tejido de la cicatriz hasta que es demasiado tarde y tenemos que sacar el implante de vuelta.»
Así como los implantes de cadera, el equipo ha probado sus nanosensores en catéteres utilizando el mismo enfoque. Las personas que reciben catéteres permanentes son susceptibles a la infección, lo que significa que los niveles de monitoreo de los nanosensores de bacterias podrían tener un impacto significativo en su cuidado.
Una preocupación común que la gente tiene con la nanotecnología, en el interior del cuerpo humano, es si los materiales utilizados son tóxicos. El Prof. Webster y su equipo, han pasado un montón de tiempo para asegurarse de que los materiales que utilizan – nanotubos de carbono y algunos polímeros adicionales – no son tóxicos.
Aún más, se han observado en algunos ensayos tempranos, con modelos animales, que los materiales utilizados han logrado mejorar el crecimiento del hueso cuando se utiliza con los implantes de cadera. Así que incluso si el sensor no identifica ningún problema, todavía es capaz de promover el crecimiento óseo de un implante de titanio regular.
«Es el primer paso hacia un mejor implante», dijo el profesor Webster, «pero en última instancia nuestro objetivo es diseñar realmente estos sensores que actúen tal y como el cuerpo humano lo haría.»
Problemas con la generación de energía y de datos
Aunque estos nanosensores muestran una gran promesa, aún quedan unos pocos puentes que necesitan ser cruzados antes de que la tecnología se pueda aplicar a pacientes humanos. El equipo quiere que los sensores tengan la misma vida útil que los implantes que se cultivan, y si bien esto no es un problema para un catéter que tiende a permanecer insertado durante una semana o dos, los implantes de cadera pueden permanecer en su lugar durante 15 años.
En la actualidad, el equipo ha generado energía para los sensores mediante la explotación de la capacidad de los nanotubos de carbono para comprimir. Cuando los nanotubos están comprimidos por la fuerza del tejido circundante, se genera un voltaje. Sin embargo, aunque este método puede generar energía en el corto plazo, a medida que más tejido crece en la parte superior de los sensores, con el tiempo ya no será capaz de comprimir.
Este dilema es uno de los dos temas importantes que el equipo tiene que superar antes de que los sensores puedan ser utilizados en pacientes con implantes. El otro gran desafío para el equipo será estar generando datos de prueba suficientes para su tecnología ser aprobada para su uso por las autoridades pertinentes.
El Prof. Webster explicó el problema del equipo:
«Aquí en los EE.UU., tenemos la FDA [Administración de Alimentos y Drogas], que tenemos que obtener la aprobación antes de que podamos usarlo clínicamente, y es una enorme cantidad de trabajo para alguien en una universidad para generar esos datos.»
Dijo que el equipo ha convencido hasta ahora una gran cantidad de médicos y los médicos que no había mucho valor en su enfoque, y que tener acceso a la información en tiempo real del estado del paciente sería de gran beneficio.
Los primeros ensayos también han tenido éxito. El equipo se encuentra actualmente en medio de una segunda ronda de ensayos, utilizando roedores, y una vez que estas pruebas hayan validado los datos anteriores, se tratará de poner a prueba su tecnología en animales más grandes.
El Prof. Webster admitió que, como estaban las cosas, un ensayo clínico humano es probablemente entre 5-10 años de distancia. La colaboración de la industria, añadió, podría acelerar este proceso, por lo que el equipo estaría interesado en trabajar con empresas o empresarios para ayudar a acelerar su calendario de investigación.
«Estos son los primeros días de nanosensores internos», escribe en un artículo publicado en Wired, «pero el concepto tiene un gran potencial.» Si el equipo puede convencer a los financiadores de este potencial, los nanosensores podrían estar en uso en seres humanos más temprano que tarde.
No sólo la identificación de problemas, pero tratándolos
Como se mencionó anteriormente, la visión del equipo hacia los nanosensores se extiende más allá de la función de vigilancia, por el que proveen información a los médicos. En Wired, el profesor Webster describe cómo los sensores también podrían utilizarse para tratar los problemas antes de que puedan causar daños en el cuerpo:
«Si los sensores captan algo malo, pueden ser programados a través de un dispositivo de mano para liberar un medicamento para matar las bacterias o reducir el crecimiento de la cicatriz de tejido para que el hueso pueda crecer sanamente al lado del implante. Por la liberación de las drogas, o en algunos casos por liberando una pequeña tensión en el lugar, la toxicidad de la célula sana puede ser evitada y un tratamiento más eficaz puede dar como resultado».
Incluso al final de la línea, el profesor Webster prevé la nanotecnología es capaz de tratar las células cancerosas, la administración de fármacos quimioterapéuticos con gran precisión, ya sea al lado o dentro de las células peligrosas.
Es un largo camino por recorrer todavía, un nivel de desarrollo tecnológico que el profesor Webster describe como «un poco como Star Trek,» pero es un camino que el equipo ha comenzado a trillar. Con el tiempo, esta pequeño tecnología podría conducir a una gigantesca revolución en el cuidado de la salud.
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