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1.3.3. Caso práctico: medicamentos inhalados

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La ruta inhalatoria para la administración de fármacos se ha venido usando desde hace milenios. De hecho, los primeros datos que poseemos acerca del uso de medicinas empleando esta vía datan casi de la época prehistórica, donde ya se comenzó a fumar ciertas sustancias con una finalidad terapéutica o poseían efectos halucinógenos. Es el caso de la cohoba, fabricada a partir de plantas del género de la mimosa, o el cannabis.

Pero no fue hasta la década de los cincuenta del siglo pasado cuando se planteó, por primera vez, sustituir los medicamentos orales (tabletas, cápsulas) por inhaladores para el tratamiento del asma, como consecuencia de los graves efectos secundarios que originaban.
El primer inhalador de dosis medida se elaboró simplemente a partir de una botella de Coca-Cola, las válvulas de los envases de perfumes, que acababan de entrar en el mercado en ese momento, y un sistema de gases propelente.

Sistema respiratorio
El principal problema que los aerosoles deben afrontar para poder penetrar en los pulmones es que, tanto éstos como las vías aéreas superiores (boca, faringe, laringe y tráquea) están muy bien equipados para evitar que las partículas de polvo y otro tipo de sustancias presentes en el aire puedan ser inspirados.
Por lo tanto, el reto consiste en diseñar las partículas que componen los aerosoles de tal modo que, no acaben en la boca o en la parte posterior de la garganta, y puedan alcanzar los pulmones.
Dichas partículas van a ser fabricadas con un tamaño o un diámetro aerodinámico muy específico, entre 1 y 5 μm (1 - 5*10-6 m), con el fin de superar el filtro que constituyen las vías aéreas superiores. Como puedes imaginar producir partículas de un tamaño tan extremadamente pequeño es tremendamente complejo.
Así, cuando se alcanzan los diámetros anteriormente mencionados, surgen una serie de problemas. Por ejemplo, cuando se utiliza como materia prima polvo seco, las partículas poseen una gran superficie, lo que les hace ser muy adherentes y pegajosas.
Como consecuencia, a esta escala, desde un punto de vista físico, la mayor influencia no es ejercida por la fuerza gravitatoria sino por las fuerzas de Van der Waals (para recordar lo que son estas interacciones: “Enlaces químicos”). Estas mismas interacciones son las responsables, por ejemplo, de que la tiza se mantenga en una pizarra sin caerse y podamos escribir en ella.
Se trata de trabajar, por lo tanto, en métodos que venzan estas fuerzas para evitar la agregación y acumulación de las partículas constituyentes de los aerosoles.

Uno de los principales motivos por el que se administran medicamentos mediante inhaladores y aerosoles a los pulmones es para combatir enfermedades pulmonares, tales como el asma, la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) o la fibrosis quística.
Inhalador de dosis medida
Muchos de los dispositivos que se emplean para la administración de aerosoles, realmente no cuentan con un buen diseño para su uso por parte del paciente.
Por ejemplo, los inhaladores de dosis medida emplean mecanismos que se han venido utilizando con gran éxito durante muchos años, sin embargo, muestran dificultades de uso entre las poblaciones infantiles y anciana, debido a problemas de sincronización entre las maniobras de pulsado e inhalación.

Por otro lado, los inhaladores de polvo seco que se encuentran actualmente en el mercado son todos Inhaladores de polvo secoactivos, en el sentido de que es el esfuerzo inhalatorio del paciente el encargado de suministrar la energía necesaria para disgregar el polvo y así, éste sea inspirado a través de las vías aéreas del enfermo.
La eficacia de este tipo de aerosoles va a depender de la intensidad con la que se inspire por el dispositivo. Como consecuencia, si la maniobra no se realiza con la suficiente rapidez o fuerza, las partículas no se disgregarán lo necesario para alcanzar los pulmones y se depositarán principalmente en la garganta.
En conclusión, este grupo de inhaladores no está indicado para el tratamiento de enfermedades pulmonares en enfermos que no posean una función respiratoria apropiada.
Nebulizador portátil
Un tercer tipo son los nebulizadores o sistemas nebulizadores de agua, tradicionalmente de gran tamaño y volumen para su uso clínico y en el hogar, aunque en los últimos años se han realizado avances para hacerlos más portátiles con un funcionamiento basado en baterías.

Éstas son las tres clases principales de dispositivos con los que se cuentan para la administración de fármacos vía respiratoria y la selección de uno u otro se basará en las necesidades del paciente y el tipo de medicación a suministrar.

Existen unos hechos interesantes acerca de los inhaladores de dosis medida. En su formulación inicial se empleaban como gases propelentes los clorofluorocarbonados (CFCs) en los que se suspendía o disolvía el fármaco. Pero debido a los informes en los años 70 que alertaban de la contribución de estos gases a la desaparición de la capa de ozono en la estratosfera, y su posterior prohibición de uso en 1989, la industria farmacéutica los sustituyó por los hidrofluoroalcanos (HFAs) con unas propiedades físicas y químicas muy similares.

A pesar de ello, se comportaban de manera muy distinta con las moléculas farmacológicas y el resto de excipientes. Así, algunos surfactantes[1] empleados en la formulación del fármaco, como el ácido oleico, eran solubles en los CFCs pero no así en los HFAs.

A raíz de ello y a lo largo de los años, las compañías adoptaron diferentes estrategias para reformular la misma droga en estos propelentes.
Un ejemplo significativo es el producto conocido como QVAR[2], en el que el fármaco es diluido en un co-solvente (diluyente), como el etanol, junto con los propelentes hidrofluoroalcanos. Y resultó que al transformar el compuesto farmacológico en forma de aerosol, se obtenía una neblina más fina, con un tamaño de la gota inferior. Se disminuyó enormemente la acumulación de éstas en la parte posterior de la garganta y la boca, y en cambio, se incrementó extraordinariamente en los pulmones.
Este nuevo enfoque le valió a la compañía una ventaja competitiva respecto al resto de empresas, que intentaron, en cambio, adaptar los HFAs para que actuasen de modo similar a como lo hacían los CFCs.



[1] Sustancia que actúa como detergente, emulsionante o humectante y que permite reducir la tensión superficial que existe en un fluido. 
[2] Inhalador antiinflamatorio para prevenir ataques de asma.

Fuentes: UTAustinX: UT.4.01x Take Your Medicine - The Impact of Drug Development.
              http://www.telegraph.co.uk/news/newstopics/howaboutthat/3225729/Stone-Age-man-took-drugs-say-scientists.html
              http://es.slideshare.net/CAWIMECA/el-sistema-respiratorio-42882484 
              http://blogs.20minutos.es/yaestaellistoquetodolosabe/tag/clorofluorocarbonos/
              http://definicion.de/surfactante/
              http://www.fibrosisquistica.org.ar/aerosol_terapia.php
              http://es.slideshare.net/luciagorreto/taller-asma-2015-inhaladores
              http://www.drtrust.in/products/nebuliser-machine


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3.3. Lípidos

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Los lípidos son un tipo de hidrocarburos constituidos mayoritariamente por enlaces C-C o C-H no polares, lo que les clasifica como moléculas hidrofóbicas o insolubles en agua.
Constituyen un elemento básico en muchas hormonas, así como en las membranas celulares. Son un importante almacén de energía en forma de grasa a largo plazo para las células, proporcionan aislamiento térmico tanto para las plantas como los animales, y en los animales acuáticos forman una capa protectora gracias a la mencionada naturaleza hidrofóbica de las moléculas que los componen.
Dentro de los lípidos se incluyen las siguientes categorías:


Grasas y aceites

Las grasas, debido a su estructura química, también se denominan triacilgliceroles o triglicéridos. Están compuestas de dos componentes básicos: glicerol y ácidos grasos. El primero de ellos es un compuesto orgánico (concretamente un tipo de alcohol) con tres átomos de carbono, cinco de hidrógeno y tres grupos hidróxilo (OH).
Los ácidos grasos, a su vez, se componen de una larga cadena de hidrocarburos a la que se une un grupo carboxilo. El número de carbonos en los ácidos grasos varía generalmente entre 4 y 36, aunque los más habituales son los que poseen de 12 a 18 carbonos.
En sus moléculas los ácidos grasos se unen a los tres carbonos del glicerol con un enlace éster a través de un átomo de oxígeno, y durante la formación de dicho enlace se liberan tres moléculas de agua.
Formación de un triglicérido
Los ácidos grasos se van a dividir en dos grupos: saturados e insaturados.
Los primeros presentan únicamente enlaces simples entre los carbonos vecinos de la cadena de hidrocarburos. Un ejemplo es el ácido esteárico formado por 18 átomos de carbono y en el que el número de átomos de hidrógeno unidos al esqueleto de carbono es máximo (no pueden unirse más). Se encuentra presente en aceites y grasas animales y vegetales. Entre sus utilidades se encuentran la fabricación de velas, jabones, plásticos, cosméticos y en el proceso de ablandamiento del caucho.

Los ácidos grasos insaturados, por el contrario, presentan su cadena de hidrocarburos con doble enlace entre sus átomos de carbono. Entre los más comunes se halla el ácido oleico conocido por su acción beneficiosa en los vasos sanguíneos, disminuyendo el riesgo de sufrir enfermedades hepáticas y cardiovasculares.

Los ácidos grasos insaturados se conocen popularmente como aceites, los cuales son líquidos a temperatura ambiente y pueden ser monoinsaturados cuando cuentan con un único enlace doble de carbono (aceite de oliva) o poliinsaturados si tienen más de uno (aceite de colza).
Células adiposas (adipocitos)

Las plantas acumulan las grasas o aceites en las semillas, sirviendo como depósitos energéticos durante el desarrollo de las mismas. En los mamíferos, en cambio, la grasa forma glóbulos que ocupan la mayor parte del volumen de un tipo de células muy especializado denominado 'adipocitos'.

Las grasas insaturadas o aceites son habitualmente de origen vegetal y contienen ácidos grasos insaturados cis (visita la entrada “El átomo de carbono” para recordar los conceptos configuración cis y trans). Este doble enlace cis causa una curvatura o retorcimiento que evita que los ácidos grasos se compacten, manteniéndolos en estado líquido a temperatura ambiente. Como ejemplos de grasas insaturadas podemos citar los aceites de oliva, de maíz, el de colza o el de bacalao. Este tipo de grasas se caracteriza por ayudarnos a bajar los niveles de colesterol en contraste con las grasas saturadas que contribuyen a la formación de placas en las arterias.

Grasas trans
Las grasas con configuración trans (abreviadamente grasas trans) presentes en algunos productos alimenticios como la margarina o la mantequilla de cacahuete pueden conducir a incrementar los niveles de lipoproteínas de baja densidad (LDL), más comúnmente conocido como colesterol “malo”, el cual se deposita en las paredes arteriales dando como resultado alteraciones cardiovasculares.
Estas grasas trans son producidas por la industria alimentaria mediante el denominado proceso de 'hidrogenación' en el que los dobles enlaces de la estructura cis de la cadena de hidrocarburos se convierten en dobles enlaces en la configuración trans. Durante este proceso los aceites se solidifican inyectándoles hidrógeno gaseoso para que adquieran esa consistencia semisólida deseable en muchos de los productos de la comida procesada.

Ácidos grasos omega
Tanto los ácidos grasos omega-3 como los omega-6 pertenecen al grupo de los ácidos grasos esenciales requeridos por el organismo humano pero que al no ser capaz de sintetizarlos debe ingerirlos a través de la dieta.
Los términos omega-3 y omega-6 nos indican que son el tercer y sexto carbono contando desde el final de la cadena el que se conecta a su carbono vecino mediante un doble enlace.
Ácido graso omega-3Ácido graso omega-6





Entre los alimentos que son fuentes de omega-3 encontramos pescados como la trucha, el atún y el salmón. Este tipo de ácidos grasos reducen la tensión sanguínea y los niveles de triglicéridos en sangre, previene la aparición de trombosis, de ataques cardíacos repentinos y puede ayudar a reducir el desarrollo de algunos tipos de cáncer.

Las grasas además de servir como depósitos de energía a largo plazo o proporcionar aislamiento al cuerpo, también permiten la asimilación de las denominadas vitaminas liposolubles, por lo que, a pesar de la mala publicidad con la que cuentan, las grasas consideradas “saludables” sí han de ser consumidas en dietas equilibradas en cantidades moderadas.


Ceras

Están formadas por largas cadenas de ácidos grasos esterificados[1] con un alcohol de cadena larga.
Debido a su naturaleza hidrofóbica desempeñan una función protectora en las hojas de algunas plantas y las plumas de las aves acuáticas.
Reacción de esterificación


Fosfolípidos

Se encuentran constituidos por cadenas de ácidos grasos unidas a una columna vertebral de glicerol o esfingosina[2], donde dos ácidos grasos forman una molécula de diaciglicerol y el tercer carbono de la columna vertebral del glicerol es ocupado por un grupo fosfato modificado.
El compuesto configurado por la molécula de diacilglicerol y el grupo fosfato constituyen los fosfatidatos que son los precursores de los fosfolípidos.
Los fosfolípidos forman parte de la capa más externa de las células animales y el principal elemento de las membranas plasmáticas, las cuales desempeñan un papel fundamental en la comunicación celular.
Estructura de un fosfolípido
Los fosfolípidos constituyen estas membranas organizándose de tal modo que las colas del fosfolípido (ácidos grasos hidrofóbicos) se orientan hacian el interior de la membrana y la cabeza del fosfolípido (grupo fosfato hidrofílico) se sitúa en la parte externa en contacto con el ambiente acuoso. Esta ambivalencia al contener una parte hidrofóbica y otra hidrofílica hace que los fosfolípidos se conozcan con el nombre de moléculas anfipáticas.
Bicapa fosfolipídica de la membrana celularEstructura de una micela
La naturaleza dinámica que caracteriza a las membranas plasmáticas obedece al hecho de estar compuestas por fosfolípidos. Al entrar en contacto con el agua las moléculas de fosfolípidos se ordenan espontáneamente en una estructura esférica conocida como micela, con las cabezas (polares) hacia fuera en contacto con el agua y las colas (no polares) hacia dentro, de igual modo que lo hacen las membranas plasmáticas.


Esteroides

A pesar de no tener mucho parecido con el resto de lípidos, debido a que cuentan con una estructura de anillo, se incluyen también dentro de esta categoría al ser insolubles en agua.
Todos los esteroides están formados por cuatro anillos fusionados de carbono, y muchos de ellos cuentan con el grupo funcional –OH lo que les permiten ser clasificados como alcoholes (esteroles). Además, varios de ellos, como el colesterol, presentan en su estructura una cola hidrocarbonada corta.
El colesterol es el más común de los esteroides en los humanos y animales, es sintetizado en el hígado, siendo el precursor de la vitamina D y las sales biliares que ayudan a la metabolización de las grasas para su posterior absorción en las células.
Entre otras funciones a destacar, cabe señalar que es segregado por las gónadas y glándulas endocrinas, al ser el precursor de hormonas esteroideas como la testosterona y el estradiol[3]. Por tanto, como podemos advertir, a pesar de la mala fama que posee el colesterol entre los profanos, juega un papel primordial para el correcto funcionamiento de nuestro organismo.
Clasificación esquemática de los lípidos



[1] Las reacciones de esterificación son aquellas por las que se obtiene un éster, normalmente mediante la reacción de un ácido carboxílico y un alcohol.
Los ésteres son compuestos orgánicos que se originan al sustituir, al menos, un grupo hidróxilo (-OH) por un alquilo u otro grupo orgánico.
[2] Aminoalcohol formado por 18 carbonos, constituyendo una cadena hidrocarbonada insaturada.
[3] Hormona esteroide sexual femenina.

Fuentes: OpenStax College, Biology. OpenStax College. 30 May 2013.
              http://www.genomasur.com/BCH/BCH_libro/capitulo_02.htm
              http://www.salud180.com/sustancias/acido-estearico
              http://herbolaria.wikia.com/wiki/%C3%81cido_oleico
              https://www.flickr.com/photos/thame/3302072732
              http://www.eufic.org/article/es/artid/La-importancia-de-los-acidos-grasos-omega-3-y-omega-6/
              http://www.uhu.es/08007/documentos%20de%20texto/apuntes/2005/pdf/tema_03_lipidos.pdf
              http://www.fisicanet.com.ar/biologia/introduccion_biologia/ap11_lipidos.php
              http://brainly.com.br/tarefa/453268
              http://www.calpoly.edu/~jfernsle/Research/Biophysics/BiophysResearch.html


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1.3.2. Vías de administración de fármacos

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Después de recopilar toda la información hallada acerca del compuesto líder, los investigadores deben aplicarla ahora a la fabricación de un producto farmacológico. Con este término no sólo se hace referencia al complejo inicial, sino también al resto de sustancias químicas que favorecen su disolución en el tracto gastrointestinal (TGI), facilitan el proceso de fabricación o lo protegen de su degradación.

A todos ellos, hay que añadir una amplia variedad de productos:
La celulosa, por ejemplo, a menudo se incluye en los comprimidos para favorecer la disgregación del fármaco en los fluidos digestivos. El talco se agrega en bajas concentraciones durante el proceso de fabricación para encapsular sustancias líquidas y semilíquidas y la lactosa (azúcar de la leche) se añade habitualmente para darle volumen al comprimido, adquiriendo un tamaño adecuado para ser ingerido.
Algunos comprimidos contienen también polímeros funcionales, entre cuyas funciones se encuentran servir de recubrimiento para protegerlos de la fuerte acidez de la cavidad estomacal, siendo posteriormente disueltos en el intestino delgado dejando libre el contenido del medicamento para su absorción en los fluidos intestinales.

Aunque un fármaco puede ser suministrado de muy distintas maneras, me centraré en aquellos que se administran de manera oral para plantear las siguientes preguntas:
el fármaco, ¿será disuelto y absorbido?, dependiendo de cuánto sea absorbido, ¿cuál debería ser la dosis?, ¿es rápidamente metabolizado por el hígado tras su absorción?, ¿va a ser degradado por el ambiente ácido del estómago?
En cuanto a la última pregunta, muchos medicamentos pueden ser degradados a bajos niveles de pH.
Estructura química del Omeprazol
Un ejemplo de este tipo es el omeprazol que sin un polímero funcional no sería un fármaco efectivo. La función de este polímero es proteger los gránulos de omeprazol de su contacto directo con el fluido gastrointestinal hasta que el pH se vuelva menos ácido y la droga ya no esté en peligro de degradación. Por esta razón, es importante recordar que no deben romperse los comprimidos, salvo indicación del farmacéutico, o la capa de este polímero protector se vería dañada y el medicamento no sería eficaz.
Rutas de administración de fármacos
Sin duda, la manera más usual de administrar fármacos es la vía oral, al ser las tabletas, pastillas, cápsulas y comprimidos fáciles de suministrar, de producir en masa, contar con buena estabilidad y ser fácilmente absorbidos por el sistema digestivo.
Pero existen otros sistemas que en ocasiones se presentan como mejor alternativas a los medicamentos orales. Así, la vía intravenosa se lleva a cabo cuando se requiere una dosis alta o correctamente controlada, es el caso de agentes altamente tóxicos (quimioterapia). Este sistema tiene, por el contrario, como principal inconveniente el tratarse de una técnica invasiva y requerir de personal sanitario y material estéril para su administración.
La vía tópica es otro modo de administración con el que todo el mundo está absolutamente familiarizado. Es de uso muy habitual las cremas y pomadas para calmar irritaciones o picaduras de insectos, pero otro tipo de productos que usan esta vía son los parches transdérmicos y los geles que pueden permear la piel, llegando así el fármaco al torrente sanguíneo.
Principales rutas de administración de fármacos
Un cuarto tipo son los medicamentos inhalados que, al igual que los anteriores, actúan de manera local, ayudando a tratar enfermedades como el asma, alergias o enfermedades crónicas pulmonares.
Aprovechando el hecho de que los pulmones cuentan con un número muy elevado de vasos y capilares, muchos fármacos son inhalados con el propósito de ser captados rápidamente por el flujo sanguíneo. Como ejemplo se puede citar la loxapina, antipsicótico usado para el tratamiento de la esquizofrenia, que al ser inhalado se observan sus efectos en tan sólo diez minutos.

Por tanto, debe tenerse en cuenta que la elección de un sistema de administración u otro tiene una influencia muy importante sobre el paciente, ya que dependiendo de ello se puede facilitar la toma del fármaco o incluso evitar ciertos efectos secundarios.

Fuentes: UTAustinX: UT.4.01x Take Your Medicine - The Impact of Drug Development.
              http://generalidadesdelafarmacia.blogspot.com.es/2010/11/vias-de-administracion-de-medicamentos.html
              http://www.xatakaciencia.com/medicina/farmacologia-vias-de-administracion-de-los-farmacos-y-sus-pros-contras
              http://www.riesgoquimico.es/2009/03/30/omeprazol/


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1.3.1. Fase preclínica

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Fármacos
Hemos visto en las entradas anteriores el especializado y largo proceso que conduce al descubrimiento y selección entre miles de candidatos del que será el futuro fármaco que se pondrá en el mercado.

A continuación, explicaré la denominada fase preclínica, situada entre la fase de investigación y los ensayos clínicos. Esta fase se va a dividir en dos partes: una centrada en determinar la seguridad del compuesto líder resultante de las todas las etapas anteriores y una segunda consistente en incorporar el compuesto en un sistema de liberación de fármacos. Existen muchos sistemas de liberación de fármacos, todos ellos con pautas específicas para su desarrollo, producción, almacenaje y uso. Entre los más comunes y popularmente conocidos se encuentran los medicamentos orales (pastillas, cápsulas, tabletas...).
Fases en el desarrollo de fármacos
Retomando el punto donde lo dejamos en la entrada anterior, vamos a partir de un compuesto líder optimizado, el cual: es capaz de unirse a una de las dianas terapéuticas que juegan un papel primordial en una enfermedad concreta, es farmacológicamente activo y aparentemente no tóxico.
De ahora en adelante, el formulador farmacéutico será quien determine cuál es la mejor manera de administrar ese compuesto en su área de acción dentro del organismo.
La manera más adecuada de comenzar este proceso es centrarse en obtener un mayor entendimiento del complejo farmacológico, teniendo en cuenta el tipo de método de administración que probablemente se empleará para el fármaco. Para hacerlo deben plantearse una serie de preguntas en torno a sus propiedades físicas y químicas: ¿es soluble en agua, liposoluble o una combinación de ambos?, ¿puede llegar a cristalizarse?, ¿pueden estos cristales reducirse a partículas más pequeñas?, ¿se trata de un fármaco químicamente estable?, en caso de serlo ¿durante cuánto tiempo?, ¿de qué manera se degrada, lo hace en un ambiente ácido?. Todas estas preguntas han de ser respondidas antes de incorporarlo a una forma real de administración.

Aspirina en disolución
Una de las propiedades más importantes que deben conocerse acerca de un fármaco es su solubilidad en agua. Cuando se administra un medicamento la mayoría de ellos entran en contacto con algún fluido biológico compuesto de agua, puesto que el cuerpo humano en su mayor parte se compone de ella.
La solubilidad es una característica muy importante para la inmensa mayoría de los medicamentos, pero especialmente para aquellos que van a ser absorbidos en el tracto gastrointestinal (TGI). Así por ejemplo, una aspirina no podría ser absorbida por el intestino aunque se descompusiese en fragmentos más pequeños si no se llegase a disolver en los fluidos intestinales.

En el caso de que el compuesto posea nula o baja solubilidad en agua, el formulador farmacéutico planteará distintas estrategias para incrementarla. En lugar de ello, como segunda alternativa puede darse un paso atrás en este proceso y retornarse al laboratorio químico donde se sintetizará una forma salina del mismo.
Pero la solubilidad del compuesto no sólo debe ser examinada en un medio acuoso, sino también en distintos medios ácidos, debido a que los fluidos gastrointestinales cuentan con diferentes grados de acidez.
Además del agua debe evaluarse la acción de otros solventes empleados en la formulación final del complejo farmacológico como el glicerol, el etanol o el propilenglicol. Así como solventes utilizados en el proceso de fabricación como el alcohol isopropílico, el metanol y el acetonitrilo.

Fuentes: UTAustinX: UT.4.01x Take Your Medicine - The Impact of Drug Development.
              http://indacea.org/desarrollo-de-medicamentos-1/
              Valentia Biopharma S.L.
              http://www.pharmatechespanol.com.mx/articulo/820.polimeros_avanzados_para_mejora_de_la_solubilidad


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2.1. Microscopio de efecto túnel (STM)

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En la entrada titulada "Nanotecnología. Introducción " comenté que el desarrollo del microscopio de efecto túnel desempeñó un papel primordial en el avance de la nanotecnología, conozcamos un poco más de él, en qué consiste y cómo funciona.
El microscopio de efecto túnel (STM en inglés) fue desarrollado en 1981 por Gerd Binning y Heinrich Rohrer en los laboratorios de IBM en la ciudad suiza de Zurich, por el que fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 1986.
Microscopio de efecto túnel
Tanto el STM como el AFM (microscopio de fuerza atómica) quedan englobados dentro de los denominados microscopios de sonda de barrido, pero el primero de ellos es mucho más potente permitiendo posicionar y observar átomos individuales con una resolución más alta que el segundo.

El STM se emplea para obtener imágenes de superficies conductoras a una escala atómica aproximada de tan sólo 2 Å (2*10-10 m). También, puede modificar la muestra analizada al manipular átomos individuales, desencadenar reacciones químicas y originar iones al reemplazar electrones de unos átomos a otros.

El microscopio de efecto túnel es un microscopio no óptico (no emplea la luz para trasladarnos al mundo de las nano-dimensiones) cuyo funcionamiento se basa en los principios de la mecánica cuántica. Se fundamenta en la utilización de una sonda sumamente precisa que se sitúa tan sólo a la distancia del diámetro de un átomo sobre la muestra sometida a estudio, aplicándose un voltaje entre ambas. Dependiendo de las características de ese voltaje los electrones pueden saltar mediante efecto túnel[1] de un lado a otro dando como resultado una corriente eléctrica muy débil, conocida como corriente de “tunelización” de apenas unos pocos picoamperios      (1 pA = 10-12 A).
Trayectoria de la punta de la sonda sobre la muestra
La aguja de esta sonda es extremadamente puntiaguda, estando su punta constituida por un sólo átomo. Realiza un barrido de la superficie a una velocidad muy pausada, elevándose y descendiendo (mediante un mecanismo piezoeléctrico[2] de control altura) con el fin de mantener una señal constante y conservar la distancia, lo que le permite inspeccionar hasta el más mínimo detalle de la superficie escaneada.
El registro del movimiento vertical de la aguja hace posible examinar la estructura superficial átomo por átomo, generándose mediante un ordenador un mapa de contorno de la misma.

Los materiales aislantes no pueden ser analizados mediante esta técnica, puesto que al no contar con electrones libres es imposible que produzcan la corriente de “tunelización” entre ellos y la punta de la sonda, con lo que no pueden originarse imágenes tridimensionales de la muestra.
Imagen de la doble hélice de DNA obtenida mediante STM

Aunque estos instrumentos exhiben un funcionamiento óptimo en el análisis de materiales conductores, también es posible con ellos la observación de moléculas orgánicas como el ADN.

Este tipo de microscopio juega un papel muy importante en física, concretamente en el estudio superficial de semiconductores y en el campo de la microelectrónica. Asimismo resulta particularmente útil en química, en la investigación de reacciones superficiales como la catálisis o en laboratorios químicos que trabajan en la nanoescala, donde el estudio de defectos y la estructura física de compuestos químicos sintéticos es de vital importancia.




[1] El efecto túnel consiste en aquellas partículas cuánticas (electrones en este caso) que consiguen penetrar y atravesar una zona que, en principio, estaría prohibida al no poseer suficiente energía cinética (energía asociada con la velocidad de un cuerpo) para atravesarla, debido a la existencia de un potencial eléctrico que impediría su paso.
[2] Son materiales que se deforman, expandiéndose o contrayéndose bajo la acción de un campo eléctrico.

Fuentes: http://education.mrsec.wisc.edu/130.htm
              http://www.nobelprize.org/educational/physics/microscopes/scanning/
              http://hoffman.physics.harvard.edu/research/STMintro.php
              http://www.uwec.edu/Matsci/center/instrumentation/


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2.1. Introducción a la nanomedicina

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La introducción de la nanotecnología en el ámbito de la salud ha permitido el desarrollo de una nueva disciplina científica conocida como nanomedicina.

Debido al hecho de que ciertas macromoléculas biológicas primordiales en el funcionamiento de los seres vivos, como el ADN o las proteínas, se localicen en el rango de escala del nanómetro va a posibilitar la interacción a nivel celular entre los dispositivos y materiales nanométricos con distintos componentes del cuerpo humano. Este hecho propicia el descubrimiento de nuevas perspectivas de avance en medicina.

Ciertas predicciones que se llegaron a aventurar en las primeras etapas de la nanotecnología continúan siendo ciencia ficción. Es el caso de los “nanobots” que nos defenderían de ataques de microorganismos externos y curarían de manera selectiva ciertas lesiones y tejidos dañados.
Imaginarios nanobots en el torrente sanguíneo
Sin embargo, sí se han realizado importantes avances en el desarrollo de nanoestructuras que incorporan distintas funcionalidades que desempeñan funciones “similares” a las que harían los supuestos nanobots.

El continuo incremento de las enfermedades neurodegenerativas, cardiovasculares, la diabetes o el cáncer obliga a investigar métodos terapéuticos y de diagnóstico que sean más sencillos, rápidos y precisos que los que contamos en la actualidad, disminuyendo al mismo tiempo los costes involucrados.
La nanomedicina augura solucionar algunos de estos problemas mediante el diagnóstico de las enfermedades en sus etapas tempranas de desarrollo, el tratamiento individualizado del paciente o la capacidad de regenerar tejidos y órganos dañados.

La nanomedicina se va a centrar en tres grandes ramas: métodos de diagnóstico, sistemas de liberación de fármacos y medicina regenerativa.
Campos de aplicación de la nanomedicina
Los métodos de nanodiagnóstico que se dividen en sistemas de análisis e imagen permiten detectar la aparición de enfermedades, tanto in vitro como in vivo, de manera precoz y de este modo actuar sobre ella con un tratamiento que cause el menor daño posible al resto del organismo.
En los análisis de muestras extraídas del paciente así como en el diagnóstico por imagen, la nanomedicina contribuye a una detección más específica, rápida y eficaz en una fase cada vez más temprana de la enfermedad (a escala molecular y celular) ofreciendo así mayores posibilidades de curación.
La nanomedicina presenta también importantes novedades en la liberación controlada de fármacos, los cuales se van a dirigir de forma selectiva a aquellas zonas y células afectadas para lograr un tratamiento más efectivo, con una dosis menor y minimizando los efectos secundarios.
Además, estos sistemas protegen al fármaco de ser degradados antes de llegar a su destino permitiéndoles, de esta manera, la administración de medicamentos poco solubles o que no pueden suministrarse por las vías convencionales.
Por último, mediante las terapias génicas y celulares, biomateriales, ingeniería de tejidos y herramientas nanotecnológicas, la nanomedicina regenerativa va a potenciar los mecanismos de reparación de tejidos y órganos que el propio cuerpo humano dispone de modo natural y que en ocasiones no son suficientes para el total restablecimiento del organismo.


Fuentes: Informe de vigilancia tecnológica: nanomedicina. Fundación para el conocimiento madri+d CEIMJosé Manuel González, Marta López, 
              Gema Ruiz.
              Nanomedicina: aplicación de la nanotecnología en la salud. Laura M. Lechuga.Grupo de Nanobiosensores y Aplicaciones Bioanalíticas
              Centro de Investigación en Nanociencia y Nanotecnología (CIN2). CSIC
              Fundación española para la ciencia y la tecnología (FECYT). Nanociencia y nanotecnología. Entre la ciencia ficción del presente 
              y la tecnología del futuro, 2009.


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