Nanociencia en Biotecnología: Aplicaciones y Riesgos

• La presentación discute la nanociencia y sus aplicaciones en el ámbito de la biotecnología, presentada por el Ing. Christian Camacho MSc. PhD.e para PAO 8.
• La tabla de contenido abarca aplicaciones de nanomateriales en medicina y biología, así como aplicaciones ambientales y riesgos de las nanotecnologías, además de bibliografía y evidencias.

Aplicaciones de Nanomateriales en Medicina

• Se agrupan las aplicaciones nanotecnológicas en el diagnóstico médico en dos áreas, aplicaciones in vitro e in vivo.
• Biosensor es un sensor para la medición de parámetros biológicos o químicos, y se compone de un sensor biológico, un transductor, y un detector.
• Las aplicaciones in vivo incluyen dispositivos implantables y técnicas de diagnóstico por imagen como espectroscopia o resonancia magnética.
• La colocación de implantes ha crecido exponencialmente y se ha perfeccionado hasta sistemas microelectromecánicos con varias ventajas.
• En el tratamiento médico, los dos grandes temas clave son la administración dirigida de fármacos y la medicina regenerativa.
• La administración dirigida de fármacos combina ciencias de polímeros, farmacia, química de bioconjugados y biología molecular para mejorar el control del fármaco.
• Se consideran mecanismos de liberación del fármaco, la liberación controlada del fármaco y el cruce de barreras específicas.
• La medicina regenerativa busca imitar los procesos biológicos, utilizando biomateriales, moléculas de señalización bioactivas y terapias basadas en células.
• El teranóstico combina terapia y diagnóstico, permitiendo la medicina personalizada a escala nanométrica.

Aspectos Oncológicos de la Nanotecnología

Hay distintos tipos de nanopartículas que se aplican en aspectos oncológicos. - Dendrímeros lipídicos. - Puntos cuánticos. - Nanopartículas superparamagnéticas. - Nanotubos de carbono. - Secuenciación mediante nanoporos. - Nanobiosensores. Estas nanopartículas son usadas para: - Transporte e introducción de fármacos. - Obtención de imágenes de células tumorales. - Obtención de imágenes con especificidad de fármacos. - Destrucción celular cancercosas. - Reporte de secuecnias grandes de ADN. - Monitoreo de la apoptosis.

• Los nanomateriales revolucionan el cuidado de la salud generando herramientas para diagnosticar y tratar las enfermedades desde dentro del cuerpo a nivel celular y molecular.
• La nanofarmacia usa la nanotecnología para prevención, diagnóstico y tratamiento de enfermedades, mejorando la salud, así como el funcionamiento del organismo.

Aplicaciones de la Nanofarmacia

• Descubrimiento de nuevos agentes farmacéuticos.
• Desarrollo de sistemas de liberación de fármacos (localización y direccionamiento específica).
• Laboratorios "en un chip" con múltiples funciones in vitro e in vivo.
• Implantes y plataformas para tejidos.
• Se enfoca en transportadores de fármacos, sistemas de liberación de genes, nanopartículas y nanocápsulas y tecnologías de anticuerpos.

Aplicaciones en Biología

• La imagen biológica o bioimagen es una técnica de precisión que permite registrar información relevante de materiales biológicos, interfiriendo lo menos posible con los procesos vitales.
• Se pueden observar estructuras subcelulares, células enteras, y evaluar procesos celulares mediante diversas técnicas.
• Existen varias fuentes de luz para la obtención de imágenes: ultrasonido, fluorescencia, rayos X, resonancia magnética y positrones, empleando técnicas como resonancia magnética (MRI), tomografía computarizada (CT), y ultrasonido.
• Los nanomateriales se emplean como agentes de contraste para diagnosticar y diferenciar entre los órganos y tejidos sanos y afectados.
• Los agentes de contraste deben cumplir ciertos requisitos, como estabilidad, circulación prolongada, mantenimiento de la solución coloidal,compatibilidad y un bajo nivel de citotoxicidad.
• La resonancia magnética (MRI) utiliza nanopartículas magnéticas como el óxido de hierro para estudiar la estructura y función de los tejidos.
• La tomografía computarizada permite visualizar diferencias en la densidad de los tejidos usando nanopartículas de oro o Fe-Pt.
• La tomografía de emisión de positrones muestra imágenes tridimensionalesmediante nanopartículas basadas en carbono.
• La imagen por ultrasonido utiliza nanopartículas de perfluoroctilbromuro (PFOB) y nanotubos de arcilla halloysita.
• La imagen por fluorescencia se basa en proteínas fluorescentes y puntos cuánticos. Los puntos cuánticos tienen diversos usos en esta misma técnica.
• La imagen fotoacústica (PAI) emplea nanoconchas de oro, nanovarillas de oro, nanojaulas de oro y nanopartículas dopadas con verde de indocianina.
• La bio-detección de patógenos clasifica los mecanismos básicos de reconocimiento biológico según el tipo de receptor y sistema de transducción.
• Un bioreceptor es el encargado de capturar o unirse de forma específica al analito e incluyen enzimas, anticuerpos (mAb y pAb) y aptámeros (ADN o ARN).
• Las estrategias de transducción pueden se ópticas, electroquímicas, térmicos y piezoeléctricos.

Métodos de Detección

• En la bio-detección, el tipo de transducción se puede clasificar en transducción óptica o electroquímica.
• La elaboración de un biosensor requiere la inmovilización del bioreceptor mediante adsorción física o fijación química.
• Los procesos de reconocimiento biológico se clasifican en bioafinidad (inmunoensayos) como la interacción entre anticuerpo y antígeno, y biocatalítico.
• Los métodos de detección se encargan de evaluar la interacción analito/bioreceptor pudiendo ser indirectos (uso de marcadores) o directos.
• La biodetección de patógenos implica el uso de nanotecnología para satisfacer las demandas de mayor sensibilidad y detección temprana.
• Nanopartículas fluorescentes (puntos cuánticos) y magnéticas (liposomas) son utilizadas para la biodetección.

Aplicaciones de la Nanotecnología en el Ambiente

• Las placas solares fotovoltaicas emplean silicio para transformar la luz solar en energía eléctrica.
• El rendimiento de las placas solares actuales es relativamente bajo. La nanotecnología puede mejorar, desarrollar nuevas células solares, disponer las celdas de forma óptima y recubrir con nanocapas.
• Se utilizan polímeros derivados del petróleo que actúan como semiconductores orgánicos, células más ligeras, integrando nanoestructuras.
• Se establece disposiciones óptimas de las células solares y de los arrays de nanopartículas que absorban la energía de la luz solar.
• A travéz de recubrimiento con nanocapas, puede llegar más energía posible de todos los fotones que llegan a la misma.
• Una pila de combustible genera energía eléctrica a partir de energía química, diferenciándose de las baterías en su suministro continuo de material.
• Una pila típica de combustible basada en el hidrógeno disocia protones y electrones, utilizando normalmente platino como un catalizador.
• Los ánodos de grafito son reemplazados por ánodos nanoestructurados con nanopartículas de titanato de litio.

Purificación del AIre y el Agua

• Nanocatalizadores se utilizan para hacer posible una reacción química a temperaturas bajas.
• Membranas nanoestructuradas, separando dióxido de carbono de las corrientes de escape.
• La Universidad de Pittsburgh utiliza MOF para capturar el dióxido de carbono del aire.
• El MIT ha demostrado un método para mejorar la conversión de dióxido de carbono en productos químicos utilizando nanoestructuras.
• La desinfección de agua y su tratamiento implican desde la filtración con nanomateriales hasta la remediación con nanopartículas.
• La nanofiltración utiliza membranas con nanoporos (15-40 nm) para filtrar los virus.
• Las membranas nanoestructuradas para la depuración del agua incluyen membranas de óxido de grafeno y nanofiltración cerámica.
• Se mejora la permeabilidad con nanocompositos de membrana, nanotubos de carbono y polímeros de aquaporina (AQP).
• Los nanomateriales catalizan y fotocatalizan en tamaños pequeños, utilizando dioxido de titanio.
• Los nanomateriales para desinfección de agua incluyen el quitosano,nanopartículas de plata (nAg) y el TiO2.
• Se incluyen nanopartículas fotocatalíticas.

Riesgos y Regulación de la Nanotecnología

• Los riesgos ambientales de la nanotecnología incluyen la toxicidad y la dispersión de los nanomateriales.
• Los nanomateriales pueden causar toxicidades dependiendo su naturaleza.
• Con el aprovechamiento de nanoresiduos, y con el tratamiento de estos, se propone la gasificación por plasma como alternativa viable.
• Los riesgos de la nanotecnología se basan en las características peligrosas de los nanomateriales y su potencial de exposición.
• Está muy relacionada la toxicicidad y la solubilidad, el tamaño, la carga y la distribucón.
• Su toxicidad puede causar riesgos para la salud humana como problemas pulmonares, cardiovaculares, al higado, al riñon e inhibir el desarrollo.
• Los nanomateriales pueden causar efectos en el desarrollo.
• Las implicaciones legales de la nanotecnología son el aprovechamiento de nanoresiduos, y la implicación de la propiedad intelectual en el desarrollo de nanomateriales.

Implicaciones legales

• Implicaciones legales son complejas y relacionadas con la propiedad intelectual, la responsabilidad del producto, regulaciones ambientales e incluso el comercio internacional.
• Los organismos reguladores buscan concientización sobre los riesgos pero todavía no alcanzan acuerdos globales.