1.3.6. Reposicionamiento de fármacos

Hasta ahora hemos estudiado los fundamentos concernientes al proceso de descubrimiento de fármacos.
Hemos visto como al comienzo se realizaban estos descubrimientos de manera inesperada y casi casual, para posteriormente pasar al enfoque metodológico basado en la identificación de blancos o dianas terapéuticas que rige en la actualidad.
Aunque todavía se desconoce la manera en la que se descubrirán los medicamentos del futuro, no cabe duda de que los fármacos biológicos, genéticos y basados en el cribado fenotípico^[1] irán adquiriendo un papel cada vez más importante.

Pero existe otra área creciente dentro del proceso de desarrollo de medicamentos, que si bien no involucra a la etapa de descubrimiento debería ser, no obstante, mencionada. Se conoce comúnmente como reposicionamiento de fármacos, y consiste en darle a un compuesto ya conocido un nuevo uso.
Esta práctica consiste en sacar del amplio catálogo de medicamentos archivados aquellos que no hayan logrado superar los ensayos clínicos o incluso hayan sido comercializados para tratar en esta ocasión una enfermedad distinta.

La principal ventaja que encuentran los formuladores farmacéuticos en reexaminar estos compuestos se basa en que sus propiedades químicas y su perfil de seguridad se encuentra bien estudiado y entendido, con lo que se reducen considerablemente las posibilidades de fracaso en etapas posteriores del proceso.

Los fármacos preexistentes pueden reposicionarse principalmente de dos maneras:

La primera de ellas consiste en emplearlos con nuevas o diferentes dianas terapéuticas. En muchas ocasiones, algunos fármacos son archivados porque se les considera demasiado “sucios”, o en otras palabras, se unen a demasiadas dianas y presentan múltiples efectos secundarios indeseados. Pudiera ocurrir que con una dosis o en una ruta de administración distinta actuasen sobre un nuevo blanco, y por tanto ser utilizados para tratar otro tipo de afección.

El segundo modo de reposicionamiento se basa en tomar un fármaco y una diana conocidos para usarlos con una enfermedad diferente.
Un ejemplo, lo encontramos en el medicamento denominado finasterida, que originalmente se destinó para tratar el agrandamiento de la próstata y más tarde se encontró que detenía, o incluso, revertía la alopecia masculina. En estas dos enfermedades se actúa sobre el mismo blanco, pero su validación para el tratamiento de la calvicie, debido al conjunto de estudios clínicos que debían completarse exitosamente, no se produjo hasta ocho años después de su aprobación como método contra el agrandamiento de la próstata.

Un medicamento que cumple ambas definiciones de reposicionamiento es la clorpromazina, originalmente desarrollada en 1.952 como antihistamínico^[2] y después se empleó como antipsicótico debido a sus efectos sedativos. Aun siendo dos tipos de dolencia bien distintas, en ambas se procede sobre el mismo blanco terapéutico.
Años más tarde se descubrió, también, el potencial anticancerígeno de la clorpromazina, utilizada en la actualidad en combinación con la quimioterapia. Esta propiedad fue descubierta gracias a su capacidad de unirse a una diana previamente desconocida.

Pero el medicamento que, a menudo, es visto como modelo de reposicionamiento de fármacos es la talidomida. En un principio, planteada para la enfermedad de la mañana en el embarazo^[3].

Dado que, las normas aplicadas a los tests de seguridad cuando se aprobó este fármaco no eran tan rigurosos como hoy en día, fue aprobada en numerosos países, descubriéndose a posteriori que era responsable de graves defectos de nacimiento, con un total de 20.000 afectados en todo el mundo. Como consecuencia de ello fue retirada del mercado.

Pero cincuenta años después, la compañía Celgene la volvió a estudiar con el objetivo de utilizarla contra la lepra y el melanoma múltiple. Después de estas nuevas investigaciones, la droga fue nuevamente autorizada contra estas enfermedades, advirtiendo rigurosamente de la peligrosidad de su uso por parte de mujeres potencialmente embarazadas.

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[1] Fenotipo: conjunto de características visibles de un individuo: color de pelo, ojos, altura...Es la expresión del genotipo en función del medio ambiente. 
[2] Fármaco que sirve para reducir o eliminar los efectos de las alergias. 
[3] Común en mujeres embarazadas, consiste en un malestar estomacal al levantarse.

Fuentes: UTAustinX: UT.4.01x Take Your Medicine - The Impact of Drug Development.
              http://www.imujer.com/salud/4707/tratamientos-naturales-para-la-enfermedad-de-la-manana
              http://www.academica.mx/observatorio/noticias/desarrolla-la-unam-f%C3%A1rmaco-controlar-algunos-tipos-c%C3%A1ncer
              http://www.elsevier.es/es-revista-educacion-quimica-78-articulo-avances-el-diseno-farmacos-asistido-90434983  
              http://www.dddmag.com/articles/2007/09/innovative-strategies-drug-repurposing
              https://embryology.med.unsw.edu.au/embryology/index.php/Abnormal_Development_-_Thalidomide

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2.2.3. Nanobiosensores

Las enormes posibilidades que nos ofrece la nanotecnología están permitiendo el avance de nuevos dispositivos en el campo del nanodiagnóstico, principalmente en los nanobiosensores.
Sus propiedades están caracterizadas por la ‘nanoescala’ en la que están fabricados. A diferencia de los biosensores, que estudiamos anteriormente en la entrada "Introducción a los biosensores", donde los receptores se separaban por unos cientos de micrómetros, aquí lo van a estar por unos pocos nanómetros.

Así, incluso se han diseñado sensores en los que se unen a su superficie moléculas individuales, con lo que el proceso de diagnosis puede efectuarse en un instrumento de mucho menor tamaño, facilitando su portabilidad y utilización en cualquier lugar.
También, se requieren cantidades muy pequeñas de muestra (micro o nanolitros) para realizar el análisis, y como consecuencia los métodos de extracción de las mismas van a ser menos traumáticos e invasivos para los pacientes.

Por otro lado, estos nanodispositivos proporcionan la utilización de muestras sin la necesidad de marcadores fluorescentes o radiactivos empleados en los análisis biológicos y clínicos. Esta propiedad es fundamental, ya que se ha verificado que al no marcar ni alterar con anterioridad la muestra, la sensibilidad de detección se incrementa notablemente.

Dentro de los nanobiosensores se distinguen las siguientes categorías:

Biosensores nanofotónicos

Este tipo de biosensores, también conocidos como de onda evanescente, está basado en el mecanismo a través del cual la luz se transmite mediante múltiples reflexiones internas en la guía óptica que lo compone.

La luz al propagarse sobre un medio e incidir en otro de menor índice de refracción^[1] no se refleja totalmente, con lo que en cada una de estas reflexiones, una componente de la luz (llamada onda evanescente), se propaga en el medio de menor índice que envuelve a la guía. Esta propagación que es extremadamente corta (de apenas unos cientos de nanómetros) en el medio que rodea al núcleo de la guía óptica, posibilita la interacción de la luz con la superficie detectora del sensor, conociendo, de este modo, qué biorreceptores específicos anclados en dicha superficie interactúan con la muestra analizada.

Mediante estos dispositivos, tan sólo es necesario muestras de unos pocos microlitros para determinar concentraciones de proteínas o variaciones de una única base en el ADN.

También, es posible evaluar el estado metabólico de una única célula al poseer, algunos de estos nanosensores, fibras ópticas muy afiladas (30-50 nm) que pueden introducirse en la membrana celular sin perturbar el funcionamiento normal de la célula y sin ocasionar ningún daño a la misma.
Este método favorece el estudio de las funciones celulares in vivo (apoptosis^[2], división celular, nanomáquinas biológicas...) y registra cambios patológicos en una única célula individual.

Biosensores nanoplasmónicos

En el sensor de Resonancia de Plasmón Superficial (SPR) se deposita una capa metálica delgada (normalmente una capa de oro de 50 nm de grosor) sobre un material dieléctrico (un cristal).
Su funcionamiento se basa en la detección de cambios en el índice de refracción en las proximidades de la superficie de separación entre ambos elementos.
Al excitar la interfase de estas dos capas (en condiciones de reflexión interna total) se consigue una resonancia plasmónica^[3] para un cierto ángulo de incidencia de la luz. Este ángulo al que se produce la onda plasmónica (de carácter evanescente) es muy sensible a los cambios por interacción molecular que se produzcan en la superficie metálica. Por tanto, las interacciones entre el analito^[4] de la muestra a analizar y la superficie detectora del sensor se manifestarán como una variación de ese ángulo de resonancia.

En la actualidad, se están desarrollando biosensores apoyados en el fenómeno de resonancia de plasmón en nanopartículas. Aunque su rango de detección sería muy similar al SPR, su sistema sería más sencillo al medirse transmisión en lugar de reflexión, además de contar con la ventaja de la miniaturización del dispositivo.

Debido al diminuto tamaño de las nanopartículas, la oscilación de los electrones está más localizada que en el caso anterior (en determinadas zonas de las nanopartículas), este hecho se conoce como resonancia de plasmón superficial localizada (LSPR). Y para la detección de la muestra se pueden utilizar los cambios de color (longitud de onda: λ) que se originan en las nanopartículas al adsorber^[5] las (bio)moléculas de la muestra examinada.

Una alternativa a este fenómeno son los sensores de DNA basados en los cambios de color que se ocasionan al agregarse nanopartículas de oro marcadas con cadenas de DNA complementarias a las que se pretende detectar.

Los biosensores nanoplasmónicos se caracterizan por su posibilidad de detección en tiempo real, alta sensibilidad, especificidad y velocidad de reconocimiento.
Sus aplicaciones más significativas se encuentran en los campos veterinario, biomédico, medioambiental y la industria alimentaria.

Biosensores nanomecánicos

Esta clase de nanobiosensores aprovecha como método de transducción^[6] la deflexión o la variación de la frecuencia de resonancia de una micropalanca al interactuar con la muestra estudiada. Por lo tanto, la denominación de estos detectores proviene del movimiento o modificación en la posición de esa micropalanca (Δx), en apenas unos pocos nanómetros, consecuencia de la identificación biomolecular de la muestra analizada.

Puesto que, estas micropalancas pueden producirse en masa a bajo coste mediante tecnología microelectrónica estándar, pueden fabricarse miles de ellas para el diagnóstico simultáneo de miles de analitos en una única muestra.

El área de detección de las micropalancas es en torno a los 1000 μm², lo que permite testar sustancias en cantidades menores al femtomol (10^-15 moles).

Tanto los nanosensores fotónicos como los nanomecánicos podrían ayudarnos a obtener una ilimitada cantidad de información proteómica y genética que posibilitaría el descubrimiento de patógenos, nuevos fármacos, vacunas y mutaciones indicadoras de ciertas enfermedades de manera mucho más rápida que las tecnologías actuales.

Dispositivos microfluídicos o “laboratorio en un chip” (‘lab-on-a-chip’)

En este tipo de instrumentos se utilizan campos eléctricos para desplazar líquidos, partículas, moléculas o células a través de microcapilares construidos en chips de diferentes materiales como silicio, cristal, cuarzo o plástico.

Este tipo de chip está configurado por un número de microconductos y microcámaras integradas donde se llevan a cabo complejas reacciones químicas y bioquímicas de la muestra considerada.
El volumen de fluidos y de muestra requerido es muy pequeño, con lo que el análisis se realiza con gran rapidez. Se trata de un método de detección portátil, desechable y con un alto grado de automatización.

La idea final de todos estos avances es el desarrollo de nanodispositivos biocompatibles, que puedan ser implantados in vivo en nuestro organismo, en el que desempeñarían una función similar a centinelas que avisasen ante las primeras células enfermas.
Ya se han conseguido algunos avances a tales efectos a nivel micro (píldoras con cámaras de vídeo), pero, indudablemente, éste será uno de los grandes campos de investigación de la nanomedicina en los próximos años.

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[1] Cociente de la velocidad de la luz en el vacío (c) y la velocidad de la luz en un medio determinado (v), n = c / v.
[2] Destrucción o muerte celular programada provocada por la misma célula.
[3] Excitación u oscilación de electrones que se produce en la interfase de dos materiales, en nuestro caso una película metálica sobre un substrato dieléctrico.
[4] Sustancia (ión, compuesto o elemento) que deseamos analizar en una muestra.
[5] Atraer y retener en la superficie de una sustancia iones o moléculas de otra.
[6] Transformación de un tipo de señal o energía en otra de distinta naturaleza.

Fuentes: 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
              http://www.kennislink.nl/publicaties/de-opmars-van-de-twentse-lab-on-a-chip
              http://images.slideplayer.es/16/5040279/slides/slide_47.jpg
              http://www.mdpi.com/sensors/sensors-10-09630/article_deploy/html/images/sensors-10-09630f1-1024.png  
              https://www.ifm.liu.se/applphys/molphys/research/biosensing_using_nanopart/
              http://www.tcd.ie/Physics/people/Martin.Hegner/ReviewNSST-The_impact_of_STM_and_AFM.html?ntherodt_01.pdf
              Fritz, J., Baller, M.K., Lang, H.P., Rothuizen, H., Vettiger, P., Meyer, E., Guntherodt, H.-J., Gerber, CH. and Gimzewski, J.K., 
              Science 288 (2000) 316.
              https://www.theengineer.co.uk/lab-on-chip-device-promises-hiv-diagnosis-in-10-minutes/

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3.4. Proteínas

Las proteínas, sin duda, son las macromoléculas biológicas con mayor variedad en estructura y funciones. Hallamos miles en una sola célula, desempeñando cada una de ellas un papel específico y único.
De esta manera, vamos a encontrar proteínas realizando actividades de transporte o almacenaje, proteínas protectoras, contráctiles, estructurales, enzimas o toxinas. Teniendo todas ellas en común polímeros de aminoácidos que se ordenan mediante cadenas lineales y actúan como elemento básico estructural.

Tipos y funciones de proteínas

▣      Enzimas: son conocidas como proteínas complejas o conjugadas, cuya labor primordial es intervenir en reacciones bioquímicas como catalizadores orgánicos, en las cuales van a ayudar a sintetizar, reordenar o descomponer los distintos elementos sobre los que actúan de manera específica.
Un ejemplo serían las enzimas digestivas como la amilasa de la saliva que hidroliza la amilosa (componente del almidón).

▣      Hormonas: controlan y regulan procesos fisiológicos como el metabolismo, el crecimiento o la reproducción. Liberadas por las células endocrinas, se tratan de moléculas de señalización química, normalmente pequeñas proteínas o esteroides.
Como ejemplo de proteína hormonal podemos citar la insulina, que se encarga de regular los niveles de glucosa en sangre.

Las proteínas presentan una amplia variedad de pesos moleculares y formas, desempeñando éstas últimas un papel primordial en las actividades que vayan a realizar. Mediante la exposición a agentes químicos, cambios en el pH o la temperatura se originan variaciones en la forma de la proteína, que conducen a la pérdida de sus funciones en un proceso denominado desnaturalización.

Aminoácidos

Los aminoácidos son los monómeros que constituyen las proteínas. Cada uno de ellos tiene una estructura formada por un átomo central de carbono, conocido como carbono α, al que se le une un grupo amino (NH₂), un grupo carboxilo (COOH) y un átomo de hidrógeno. Precisamente, la denominación de ‘aminoácido’ procede de la presencia de estos dos grupos en la estructura básica del mismo.

Cada aminoácido también posee otro átomo o grupo de átomos unidos al átomo central, denominado grupo R o cadena lateral que es propio para cada uno de ellos. La naturaleza química de esta cadena establece el tipo de aminoácido (si es polar, no polar, básico, ácido...). Así, encontramos aminoácidos básicos como la arginina y la lisina, al poseer carga positiva. Otros como la cisteína o la serina son polares con una cadena lateral hidrofílica o si ésta es de naturaleza hidrofóbica son no polares como la alanina o la valina.

De los veinte tipos de aminoácidos distintos de los cuales se componen las proteínas, diez de ellos son considerados esenciales, ya que son los bloques necesarios para la construcción de las mismas, pero el cuerpo humano no puede sintetizarlos y deben obtenerse de la dieta.

El sistema de representación de los aminoácidos se lleva a cabo mediante una letra mayúscula o una combinación de tres de ellas. Por ejemplo, la cisteína se simboliza mediante la letra C o Cys en código de tres letras.

La secuencia y el número de aminoácidos es quien establece en última instancia el tamaño, la función y la forma de la proteína.

Los aminoácidos se unen mediante un enlace de tipo covalente, conocido como enlace peptídico, en el que el grupo carboxilo de un aminoácido se enlaza al grupo amino del aminoácido contiguo, liberando una molécula de agua (reacción de deshidratación).
Los productos de estos enlaces se denominan péptidos y su unión da lugar a una cadena de polipéptidos. Cada uno de ellos cuenta con un grupo amino libre al final de la cadena, denominado terminal N o terminal amino, teniendo en el otro extremo un grupo carboxilo conocido como terminal C o terminal carboxilo.

En ocasiones, los términos polipéptido y proteína se emplean indistintamente, pero técnicamente un polipéptido es un polímero de aminoácidos, mientras que una proteína es un polipéptido o polipéptidos que se han combinado con una forma y función característica y particular.

Estructura de las proteínas

Como ya se ha mencionado, la forma que adopta la proteína es fundamental para las funciones que desempeña. Con el fin de entender cómo la proteína toma su forma o conformación final es necesario estudiar los cuatro niveles estructurales en los que se organiza: primario, secundario, terciario y cuaternario.

Estructura primaria

La estructura primaria se define como la secuencia única de aminoácidos en una cadena de polipéptidos. Por ejemplo, la hormona insulina tiene dos cadenas polipeptídicas A y B, formadas por unas secuencias únicas de 21 y 30 aminoácidos respectivamente y unidas entre ellas por dos enlaces disulfuro entre los aminoácidos cisteína. Un tercer enlace disulfuro en la cadena A, también entre dos aminoácidos cisteína, posibilita que se pliegue de la manera adecuada.

La secuencia única de cada proteína viene determinada finalmente por el gen que la codifica, y cualquier alteración en la cadena de nucleótidos^[1] que compone el gen puede originar aminoácidos distintos que se serán añadidos, posteriormente, en la cadena polipeptídica, afectando la estructura y rol de la proteína resultante.

Así, un único cambio en uno de los 600 aminoácidos que componen la proteína hemoglobina provoca tal variación en su estructura y actividad que produce la aparición de la anemia de células falciformes^[2]. Concretamente, en la cadena β de esta proteína el ácido glutámico es sustituido por el aminoácido valina.
Para ser más exactos, como cada aminoácido se compone de tres bases nucleótidas, esos 600 aminoácidos dan lugar a 1.800 bases y la hemoglobina falciforme, causante de la anemia, surge por un único cambio en esas 1.800 bases.

A raíz de esta modificación, las moléculas de hemoglobina forman largas fibras que distorsionan la forma bicóncava o forma de disco de los glóbulos rojos, adquiriendo una forma de hoz o media luna que tapona las arterias, desencadenando una serie de trastornos tan característicos de la anemia como son los dolores de cabeza y abdominales, la dificultad respiratoria o los mareos.

Estructura secundaria

Estas estructuras se forman por el plegamiento local del polipéptido en ciertas regiones, las más comunes son las hélices α y las láminas β u hoja plegada β.
En las hélices α la estructura primaria se enrolla helicoidalmente sobre sí misma, habiendo 3,6 aminoácidos en cada vuelta. Se constituyen mediante enlaces de hidrógeno entre el grupo carbonilo (C=O) de un aminoácido y el grupo amino (N-H) de un aminoácido situado cuatro posiciones más alejado en la cadena polipeptídica.

En la conformación beta los aminoácidos se disponen en forma de zigzag, en una disposición de lámina plegada. También tiene su origen en los puentes de hidrógeno originados entre los grupos N-H y C=O, pero en esta ocasión pertenecientes a cadenas adyacentes.

Estructura terciaria

Esta configuración indica cómo la estructura secundaria de un polipéptido se pliega sobre sí misma dando lugar a una conformación globular.
Es la configuración que determina las propiedades fisicoquímicas de la proteína y favorece su solubilidad en agua, posibilitándola, de este modo, llevar a cabo funciones hormonales enzimáticas y de transporte.
Esta estructura se mantiene estable gracias a la existencia de enlaces entre los radicales o grupos R de los aminoácidos, los cuales se generan a través de los siguientes tipos de interacciones: puentes disulfuro^[3], puentes de hidrógeno, interacciones iónicas, hidrofóbicas y fuerzas de Van der Waals (para refrescar todos estos conceptos visita la entrada: “Enlaces químicos”).
Generalmente, en esta disposición los aminoácidos apolares se sitúan hacia el interior de la proteína y los polares hacia el exterior, interactuando con el ambiente acuoso circundante.

Estructura cuaternaria

En la naturaleza, algunas proteínas se constituyen a partir de varios polipéptidos, conocidos como subunidades y la interacción entre las mismas constituyen la estructura cuaternaria. Se tratan de interacciones débiles que ayudan a estabilizar la estructura global de la proteína.
La disposición cuaternaria, de modo general, otorga el rol de la proteína y mediante ella se forman estructuras de gran importancia biológica como los capsómeros^[4] de los virus, los microfilamentos^[5], los microtúbulos^[6] y las fibrillas de colágeno del tejido conjuntivo.

Desnaturalización y plegamiento

Cada proteína tiene su propia secuencia y forma que la mantiene unida mediante interacciones químicas.

Si la proteína está sujeta a cambios en el pH, en la temperatura o expuesta a químicos, su estructura y forma pueden modificarse sin llegar a verse afectada su secuencia primaria. Este proceso se conoce como desnaturalización, el cual puede ser reversible si la estructura polipeptídica primaria se conserva durante el mismo, manteniendo la proteína su rol.
Cuando el proceso es irreversible, por el contrario, sí que se produce la pérdida de su función. Esto es lo que le ocurre, por ejemplo, a la albúmina (proteína de la clara del huevo), la cual se desnaturaliza de manera irreversible cuando se cocina al someterse a altas temperaturas.

El plegamiento de las proteínas juega un papel decisivo en la labor que éstas realizan. Dicho plegamiento se efectúa con la ayuda de las chaperonas que son una familia de proteínas presentes en todas las células y que no forman parte de las proteínas funcionales^[7]. Se unen a éstas no sólo para facilitar su plegamiento, sino también para su ensamblaje y transporte celular a otra parte de la célula donde la proteína ejerce su función.

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[1] Monómeros de los ácidos nucleicos (DNA y RNA).
[2] Estructura con forma de hoz o media luna.
[3] Enlace covalente fuerte entre grupos tiol (-SH, que contienen azufre) del aminoácido cisteína.
[4] Cubierta exterior de proteína que protege el material genético de un virus.
[5] Fibras finas de proteínas que junto con los microtúbulos le dan soporte a las células.
[6] Estructuras tubulares de las células. Componente principal del citoesqueleto de las células eucariotas.
[7] Aquellas proteínas que poseen función biológica.

Fuentes: OpenStax College, Biology. OpenStax College. 30 May 2013.
              http://www.profesorenlinea.cl/Ciencias/ProteinasEstruct.htm
              http://study.com/academy/lesson/proteins-iv-higher-order-structure.html
              http://quimica.laguia2000.com/conceptos-basicos/cadena-lateral-en-aminoacidos
              http://es.slideshare.net/carolinacisdel/biomoleculas-enfermera
              http://biologiavfe.blogspot.com.es/2010/04/anemia-falciforme.html
              http://sicklecellcurefoundation.org/living-with-sickle-cell-disease/national-sickle-cell-month
              http://www.slideshare.net/VijayP7/secondary-structure-prediction-of-proteins
              http://www.slideshare.net/thelawofscience/protein-structure-11543259
              http://www.mobi4health.ug.edu.pl/wp-content/uploads/2014/10/2ndMSW-Milla-Neffling-Primer.pdf

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1.3.5. Nuevos sistemas de administración de fármacos

Actualmente, los principales problemas relacionados con los métodos de administración de fármacos son fundamentalmente dos.
El primero de ellos se da cuando el fármaco es altamente soluble en agua y se desea un sistema de liberación controlado, y el segundo surge cuando se produce el suceso contrario, la droga no posee solubilidad alguna y, por tanto, no se va a disolver en agua.

Esta segunda problemática es fundamental resolverla puesto que, en la actualidad se estima que entre el 75 y el 80% de las sustancias químicas que salen de los laboratorios de investigación universitarios y de las compañías farmacéuticas no son solubles en agua, por lo que intentar superar este impedimento se ha convertido en todo un reto para la industria farmacéutica.
El reto consistirá en conseguir que las partículas constituyentes se disuelvan en el tracto gastrointestinal, y sean, de esta manera, absorbidas para ejercer su acción sistémica^[1].

Gracias a las tecnologías de diseño e ingeniería de partículas pueden fabricarse formas farmacéuticas cristalinas con un tamaño realmente pequeño (comprendido entre los 200 y 300 nm), lo que les permite tener una velocidad de disolución más rápida que las de un tamaño superior.

Una vez fabricadas, se incorporan a los distintos sistemas de administración donde serán disueltas inmediatamente. De esta manera, el fármaco disuelto se encontrará disponible para su absorción por parte del sistema digestivo o los pulmones, dependiendo de la ruta de administración seleccionada.

Una alternativa diferente sería partir de una droga disuelta en un solvente orgánico (no agua) como el etanol, el acetonitrilo o el metanol. El fármaco se disuelve con un algún tipo de estabilizador para posteriormente congelarlo a una velocidad de enfriamiento muy rápida. De esta manera, se obtienen sustancias farmacéuticas sin estructura cristalina calificadas como formas amorfas o de morfología amorfa, las cuales van a poder disolverse a concentraciones mucho más altas que en su correspondiente forma cristalina.
Así, se consigue la denominada “super-saturación” de una solución acuosa, lo que facilitará la disolución del fármaco a altas concentraciones en el estómago y en el primer tramo del intestino delgado para ser absorbido y distribuido por todo el organismo.

Propiedades de las estructuras cristalina y amorfa de los fármacos
Estado cristalino	Estado amorfo
Orden translacional, rotacional y estructural a largo alcance	Puede mostrar orden a corto alcance
Punto de fusión bien definido	Punto de transición vítrea[2]
Más estable	Menos estable
Buenas propiedades de flujo[3]	Malas propiedades de flujo
Menos higroscópico[4]	Más higroscópico
Relativamente menos soluble	Relativamente más soluble

Un ejemplo de aplicación basado en este sistema de ingeniería de partículas ha sido el desarrollo, por parte de miembros de la escuela médica de la Universidad de Texas en San Antonio en colaboración con el Sistema Hospitalario para Veteranos, de una nueva ruta de administración para los medicamentos inmunosupresores.

Esta clase de medicamentos evita el rechazo por parte del organismo de órganos transplantados, pero al ser actualmente administrados oralmente presentan una serie de efectos secundarios, como es el posible desarrollo de diferentes tipos de cáncer.

El objetivo de las tecnologías descritas más arriba fue suministrar el medicamento a una menor dosis en el lugar donde su respuesta inmunosupresora fuera directamente necesaria. Para ello durante un período de cuatro a cinco años se desarrollaron prototipos de medicamentos que se administraban vía respiratoria para aquellos pacientes que habían sido sometidos a un transplante pulmonar, ya que iban a ser estos órganos transplantados el objetivo del fármaco inmnosupresor.
Se llevaron a cabo ensayos en mamíferos (ratones y ratas) midiéndose bajos niveles del medicamento en sangre pero altas concentraciones del mismo en los pulmones, lo que probaba la validez de la vía inhalatoria, al menos, en animales.
Más tarde, se pasó a su experimentación, bajo estrictas normas de seguridad, en voluntarios humanos de la escuela de medicina, obteniéndose resultados similares a los anteriores. Incluso, se ha llegado a evaluar en un modelo animal sometido a un doble transplante pulmonar, logrando nuevamente la misma eficacia, pero continuando todavía en su fase de desarrollo.

En conclusión, el objetivo es la investigación de nuevas rutas de administración de fármacos no disponibles en la actualidad, beneficiando al paciente mediante la minimización de los efectos secundarios y la reducción de la exposición sistémica^[5].

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[1] Acción ejercida por el fármaco una vez ha sido absorbido y distribuido por el torrente sanguíneo.
[2] Temperatura a la que un sólido amorfo se convierte en un material blando y flexible tras calentamiento o rígido y frágil tras enfriamiento.
[3] Estas propiedades indican la mayor o menor fluidez de las partículas en función de su tamaño, forma, humedad absorbida y densidad.
[4] Sustancias que absorben la humedad del ambiente.
[5] Tipo de exposición en la que el organismo es afectado en su conjunto por la acción del fármaco.

Fuentes: UTAustinX: UT.4.01x Take Your Medicine - The Impact of Drug Development.
              http://www.slideshare.net/rcdreddi/limerick-meet-and-greet-ac-edited
              http://chemistry.about.com/od/chemistryglossary/a/glasstransition.htm
              https://docs.google.com/document/d/1TOwPCUSItCGOnUivKC_5kuTGw7kh9D5DPIK2U-V7D2A/edit#heading=h.90pmyxnddx1b
              http://trasplante-de-organos.blogspot.com.es/2011/09/inmunologia-del-trasplante-la.html

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2.2.2. Diagnóstico por imagen

A lo largo de los últimos años, el diagnóstico por imagen ha visto como ha ido incrementando considerablemente su relevancia hasta convertirse en una herramienta imprescindible en el diagnosis de incontables enfermedades como los síndromes neurológicos, los trastornos cardiovasculares o el cáncer.

La confluencia del diagnóstico por imagen y la nanotecnología, permite da lugar a una nueva serie de trazadores y agentes de contraste que cuentan con una mayor resolución y sensibilidad. Su objetivo es la detección de enfermedades en sus fases iniciales, a nivel celular o incluso molecular, lo que permitiría una rápida aplicación del tratamiento apropiado, aumentando así las posibilidades de curación.

Los nanosistemas de imagen se apoyan, principalmente, en la utilización para el marcaje in vivo de tres tipos de nanopartículas: semiconductoras, metálicas y magnéticas.

Nanopartículas de semiconductores

Este primer tipo de nanopartículas, también denominadas puntos cuánticos (quantum dots) consisten en semiconductores^[1], cuyo tamaño se ha reducido a unos pocos nanómetros (1-10 nm), lo que origina cambios en su disposición electrónica, perdiendo su inconfundible estructura de bandas. Gracias a esta nueva estructura, su respuesta óptica (concretamente su fluorescencia) va a estar íntimamente ligada a la variación del tamaño de estas nanopartículas.
Consecuentemente, estos puntos cuánticos van a emitir luz en diversas longitudes de onda (colores) dependiendo de sus dimensiones y no del material empleado, lo que les convierte en unos marcadores biológicos tremendamente prácticos.

Aunque se han sometido a examen una gran diversidad de materiales semiconductores, los más empleados son los de teluro y seleniuro de cadmio, CdTe y CdSe, ya que, además de poder fabricarse en grandes cantidades, puede controlarse perfectamente el tamaño de los mismos y con ello obtener unas bandas de emisión con una abundante gama de colores durante un largo período de tiempo.

Pero las nanopartículas de semiconductores también deben llegar a su objetivo, y para evitar efectos secundarios han de ser excretados del organismo una vez hayan cumplido su cometido. Para la primera de estas funciones, los puntos cuánticos han de recubrirse con polímeros como el polietilenglicol (PEG), que actuará como una capa de invisibilidad ante los macrófagos del sistema inmunitario impidiendo que estos últimos los degraden e ingieran antes de alcanzar su destino.

El siguiente paso consiste en conseguir que las nanopartículas sean capaces de identificar su diana mediante biorreceptores (anticuerpos) que se ligan a su superficie, y que se unirán a los antígenos^[2] específicos de las células objetivo (p.ej.: células cancerígenas). Los biorreceptores de los quantum dots producen una reacción de reconocimiento biomolecular al encontrarse con estos antígenos, acumulándose en esa zona, y empleando luz ultravioleta son observados debido a la característica fluorescencia que radian.

Por último, la expulsión de los puntos cuánticos a través de los riñones y del hígado parece no mostrar dificultades en los experimentos realizados en animales, pero para su empleo en ensayos humanos deben resolverse posibles problemas relacionados a proceso de agregación, antes de obtener la autorización de las agencias de salud para su posterior comercialización.

Nanopartículas metálicas

El hecho de que las nanopartículas metálicas poseen una frecuencia de resonancia (su color) directamente dependiente de su tamaño y forma, las convierte en una segunda opción como agentes de contraste. Esta propiedad facilita que sean producidas con la intención de dispersar o absorber luz en la zona espectral que corresponda. Así, pueden diseñarse partículas de oro que absorban o reflejen luz en la región del infrarrojo cercano (700-900 nm), ya que los tejidos biológicos son más transparentes en esa franja del espectro electromagnético, y mediante métodos como la tomografía de coherencia óptica^[3] (optical coherence tomography, OCT) se logran mapas tridimensionales de las zonas donde se han aglomerado las nanopartículas.

Nanopartículas magnéticas

Una tercera alternativa la representan las nanopartículas magnéticas (óxidos de hierro como la magnetita: Fe₃O₄), con la capacidad de incrementar el contraste en las pruebas de resonancia magnética.
Su transporte por el organismo puede llegar a realizarse gracias al empleo de un campo magnético externo (como un electroimán), aprovechando las propiedades magnéticas de estos materiales. Además, podrían llegar a reemplazar los marcadores actuales de metales pesados, disminuyendo su toxicidad.

Tanto en las nanopartículas magnéticas como en las metálicas se emplean técnicas idénticas, o muy similares, a las descritas en los puntos cuánticos para conseguir burlar el sistema inmunitario y lograr que sean capaces de localizar y unirse a los tejidos y células diana de interés.

Los nanosistemas de imagen, al pertenecer a la categoría de diagnóstico in vivo y por tanto, deben introducirse en el cuerpo humano, conllevan, como hemos descrito, un conjunto de inconvenientes asociados (biocompatibilidad, sofisticado diseño) que deben solventarse para su uso seguro y eficaz en el organismo, minimizando efectos secundarios indeseados.

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[1] Elemento que se comporta como un aislante o conductor dependiendo de varios factores como la temperatura del ambiente, la presión, los campos eléctricos o magnéticos a su alrededor o la radiación que incide sobre él.
[2] Sustancias ajenas o tóxicas al organismo (generalmente proteínas) que desencadenan la formación de anticuerpos y causan una respuesta inmunitaria. 
[3] Prueba de imagen no invasiva que utiliza ondas de luz para tomar imágenes de sección transversal.

Fuentes: Informe de vigilancia tecnológica: nanomedicina. Fundación para el conocimiento madri+d. CEIM. José 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
              http://www1.radiology.ucsf.edu/research/labs/hyperpolarized-mri-tech-2/facilities_equipment
              http://www.osiconference.org/osi2015/presentations/Tu2.3%20Zahn.pdf
              http://www.nanowerk.com/news/newsid=7441.php (Image: Penn State)
              http://slideplayer.com.br/slide/74350/

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2.2.1. Introducción a los biosensores

Como consecuencia de la tecnología actual, el diagnóstico de ciertas enfermedades se realiza cuando ya se hallan en estados demasiados avanzados.
El principal instrumento que se emplea, hoy en día, para diagnosticar enfermedades es el biosensor, que permite tanto la detección de sustancias específicas, averiguar la composición o características moleculares de todo tipo de sustancias orgánicas o detectar la presencia de microorganismos en ciertos ambientes.

Se constituye de dos componentes principales:

▣      Un área de detección o reactiva formada por un receptor biológico (anticuerpos, DNA, enzimas...) con la capacidad de unirse a aquellas sustancias que se desean detectar.
▣      Un sistema transductor que procesa y cuantifica la señal (mecánica, eléctrica, óptica...), que se origina al interactuar la sustancia analizada y el elemento encargado del reconocimiento.

La unión e integración de ambos componentes es lo que convierte a los biosensores en unos instrumentos caracterizados por su sensibilidad y selectividad.

La aplicación de los biosensores se produce en una extensa variedad de campos entre los que se incluyen: el medio ambiente, la salud, la biotecnología o el sector alimentario.

Entre los biosensores más comunes se hallan los denominados microarrays o biochips que consisten en una superficie sólida (vidrio, silicio, oro) sobre la que se sitúan cientos o miles de biomoléculas (generalmente oligonucleótidos^[1] o fragmentos de DNA de una sola cadena, conocidos a menudo como ‘sondas’) en determinadas posiciones y concentraciones formando una matriz de dos dimensiones, estando cada una de estas moléculas separadas entre 100 y 150 μm.

La muestra sometida a análisis se marca por diversos métodos (habitualmente con un reactivo fluorescente), de tal modo, que cuando entra en contacto con las moléculas sensoras del biochip se hibridan^[2] a su secuencia homóloga, produciendo una señal fluorescente en esas ubicaciones.
Posteriormente, mediante el empleo de un escáner y herramientas informáticas se analizan e interpretan los datos obtenidos.

Las posibilidades que podemos encontrar a los biochips son innumerables: desde la medicina personalizada (para conocer nuestra mayor o menor propensión a padecer cáncer o enfermedades genéticas específicas), la detección de bacterias contaminantes en alimentos o en el agua, el descubrimiento de mutaciones en virus y bacterias que les hacen resistentes a ciertos medicamentos o examinar la biodiversidad microbiana en ambientes concretos.

Otro ejemplo son los microarrays de proteínas en los que, en lugar de fragmentos de DNA, se anclan a su superficie miles de proteínas funcionalmente activas. Este tipo de instrumentos cuentan con un gran potencial para la investigación básica en biología molecular, la identificación de marcadores de enfermedades y la búsqueda de dianas terapéuticas.

Por último, dentro de la tecnología de los microarrays encontramos los chips de células. Sobre la plataforma de estos detectores se ubican anticuerpos, proteínas o lípidos que van a interactuar con las células, no sólo capturándolas, sino también desencadenando respuestas en ellas, como cambios fenotípicos^[3] o segregando sustancias específicas.
Se emplean en el análisis toxicológico, de agentes patógenos y la identificación de marcadores de enfermedades.

Como puede observarse, los biochips cuentan con una amplísima variedad de aplicaciones, sin embargo, la ciencia continúa evolucionando y ya se están diseñando biosensores con un tamaño menor y más potentes, basándose en las enormes posibilidades que ofrece la nanotecnología.
Estos nuevos sistemas de diagnóstico que cuentan con la gran ventaja, respecto a los biosensores actuales, de detectar las enfermedades en sus fases más tempranas, se dividen esencialmente en dos áreas de actuación: nanosistemas de imagen y nanobiosensores, los cuales serán objeto de estudio en las siguientes entradas de esta sección.

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[1] Secuencia corta de DNA o RNA con cincuenta pares de bases o menos.
[2] Reconocimiento y unión entre moléculas complementarias.
[3] Cambios en aquellos rasgos particulares y genéticamente heredados de cualquier organismo que lo hacen único e irrepetible en su especie. 

Fuentes: Informe de vigilancia tecnológica: nanomedicina. Fundación para el conocimiento madri+d. CEIM. José Manuel González, Marta López, 
              Gema Ruiz.
              Fundación española para la ciencia y la tecnología (FECYT). Nanociencia y nanotecnología. Entre la ciencia ficción del presente 
              y la tecnología del futuro, 2009.
              http://www.definicionabc.com/ciencia/fenotipo.php
              http://www.blogdefarmacia.com/biosensores-tecnologia-para-la-salud/
              http://www.pharmatutor.org/articles/applications-of-biosensors-technology-future-trends-development-and-new-intervation-in-                                   biotechnology?page=0,1
              http://www.slideshare.net/ManjuAnshika/biosensor-dr-manju-jha
              http://www.sensorsmag.com/specialty-markets/medical/strong-growth-predicted-biosensors-market-7640

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