Nanomedicina: Tipos de Nanopartículas y Aplicaciones PDF

B1 – FUNDAMENTOS DE NANOMEDICINA 2. TIPOS DE NANOMATERIALES NPS CARACTERIZACIÓN TAMAÑO Y DISTRIBUCIÓN DEL TAMAÑO Tamaño Promedio: Determina el diámetro promedio de las nanopartículas. Distribución del Tamaño: Evaluación de la variabilidad en el tamaño de las nanopartícula...

B1 – FUNDAMENTOS DE NANOMEDICINA 2. TIPOS DE NANOMATERIALES NPS CARACTERIZACIÓN TAMAÑO Y DISTRIBUCIÓN DEL TAMAÑO Tamaño Promedio: Determina el diámetro promedio de las nanopartículas. Distribución del Tamaño: Evaluación de la variabilidad en el tamaño de las nanopartículas dentro de una muestra. Métodos: dispersión de luz dinámica (DLS) y la microscopía electrónica de transmisión (TEM). MORFOLOGÍA Y ESTRUCTURA Forma: Identifica si las nanopartículas son esféricas, cilíndricas, de estrella, etc. Estructura Interna: Evaluación de la estructura interna y la integridad (core). Métodos: Microscopía electrónica de transmisión (TEM) y de barrido (SEM), y difracción de rayos X SUPERFICIE Y PROPIEDADES DE SUPERFICIE Área Superficial: Superficie total disponible para interacciones. Carga Superficial: Evaluación del potencial zeta para entender la estabilidad y la interacción. Métodos: Adsorción de nitrógeno (BET), potencial zeta por dispersión de luz dinámica. COMPOSICIÓN QUÍMICA Elementos y Compuestos: Determina los elementos presentes y su concentración. Estado de Oxidación: Evalúa el estado de oxidación de los elementos metálicos. Métodos: Espectroscopía de dispersión de energía de rayos X (EDX), espectroscopía de absorción atómica (AAS), y espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS) Evaluación del potencial zeta: estabilidad de suspensiones de fármacos, emulsiones y liposomas. Es un parámetro que mide el equilibrio electroquímico en la interfaz partícula- líquido. Mide la magnitud de la repulsión/atracción electrostática entre partículas 1 PROPIEDADES ÓPTICAS Absorción y Emisión: Analiza cómo las nanopartículas interactúan con la luz. Resonancia Plasmónica: Observa el fenómeno de resonancia plasmónica superficial. Métodos: Espectroscopía UV-Vis, espectroscopía de fluorescencia PROPIEDADES MAGNÉTICAS Magnetización: Evalúa la respuesta de las nanopartículas a un campo magnético. Tipo de Magnetismo: Identifica si son ferromagnéticas, paramagnéticas o superparamagnéticas. Métodos: Magnetometría de fuerza de vibración (VSM), magnetometría de muestra ESTABILIDAD Y CONSERVACIÓN Estabilidad Física y Química: Evaluación de la estabilidad en diferentes condiciones (pH, T). Vida Útil: Tiempo durante el cual las nanopartículas mantienen sus propiedades. Métodos: Pruebas de almacenamiento prolongado, estudios de estabilidad a largo plazo. BIOCOMPATIBILIDAD Y TOXICIDAD Interacción con Células y Tejidos: Evalúa cómo las np afectan las células y tejidos biológicos. Toxicidad: Mide los efectos adversos potenciales en organismos vivos. Métodos: Ensayos de citotoxicidad, estudios en modelos animales. FUNCIONALIZACIÓN Se refiere al proceso de modificar o ajustar la superficie de las nanopartículas para otorgarles propiedades específicas que mejoren su desempeño en aplicaciones particulares. Funcionalización con: Ligandos Biológicos: Incorporación de anticuerpos anti-EGFR en nanopartículas para dirigirlas específicamente a células tumorales que sobreexpresan el receptor EGFR. Polímeros: Recubrimiento de nanopartículas con polietilenglicol para mejorar su solubilidad en agua y reducir la respuesta inmunitaria, aumentando su tiempo de circulación en el cuerpo. Marcadores de Imagen: Incorporación de etiquetas fluorescentes para permitir la visualización y seguimiento de la distribución de las nanopartículas en estudios de fluorescencia. 2 NPS METÁLICAS Las NPs metálicas, o nanopartículas metálicas, son pequeñas partículas de metal con dimensiones en el rango nanométrico (generalmente entre 1 y 100 nanómetros). Las más comunes empleadas en el ámbito de la medicina son las NPs de oro y de plata Otros metales: platino, paladio, cobre, titanio o zinc. MÉTODO DE SÍNTESIS SÍNTESIS QUÍMICA Uso de agentes reductores para transformar sales metálicas en nanopartículas en solución. Generan residuos. SÍNTESIS FÍSICA Métodos como evaporación-condensación y pulverización para generar nanopartículas metálicas. SÍNTESIS BIOLÓGICA Utiliza organismos vivos o extractos biológicos para la síntesis de nanopartículas. APLICACIONES Catalizadores: Su alta relación superficie-volumen las hace muy eficientes para acelerar reacciones químicas. Electrónica: Pueden ser usadas en la fabricación de dispositivos electrónicos a escala nanométrica. Recubrimientos: Se utilizan en la creación de recubrimientos con propiedades específicas, como mayor resistencia a la corrosión o propiedades antimicrobianas. Energía: Se aplican en celdas de combustible y en la mejora de materiales para almacenamiento de energía Medicina: Se emplean en la imagenología médica y en terapias dirigidas, como en el caso de la administración de medicamentos. Diagnóstico por imagen, terapias dirigidas, liberación controlada de fármacos, terapias fototérmicas y fotodinámicas, regeneración de tejidos, diagnóstico genético y vacunas 3 1. NPS DE ORO DIAGNÓSTICO POR IMAGEN: AU NPS Las nanopartículas de oro (Au NPs) presentan una alta biocompatibilidad, gran versatilidad y son fáciles de funcionalizar. Uso con otros ligandos específicos. Aplicaciones: agentes de contraste para diagnosticar cánceres, desde imágenes de resonancia magnética, tomografía computarizada (TC) , imágenes nucleares e imágenes de fluorescencia de rayos X. FUNCIONALIZACIÓN AU NPS La funcionalización de la superficie de las nanopartículas de oro (AuNPs) es necesaria para: Reducir la toxicidad inducida por los surfactantes. Aumentar la biocompatibilidad para aplicaciones biomédicas. Modificación más común: PEGilación Utiliza polietilenglicol (PEG) terminado en tiol. Reemplaza el surfactante mediante la unión covalente Au-S del ligando de PEG tiolado. AU NPS COMO AGENTE DE CONTRASTE : NANOBIOSENSORES DE AU NPS El fenómeno de resonancia de plasmón de superficie localizado (LSPR) de las nanopartículas de oro (Au NPs) las hace ideales para el desarrollo de biosensores. VENTAJAS: especificidad, sensibilidad, reproducibilidad, tiempo de respuesta, alta estabilidad y fácil de usar. COMPONENTES DE UN BIOSENSOR Target (Objetivo): La sustancia específica que el biosensor detecta. Bioreceptor (Biorreceptor): El componente biológico que se une selectivamente al objetivo. Transducer (Transductor): El elemento que convierte la interacción biorreceptor-objetivo en una señal medible. Output (Salida): La señal resultante que muestra la presencia o concentración del objetivo (colorimétricos, fluorimétricos, electroquímicos) 4 EJERCICIO Describe quien es target, biorreceptor, transductor y output - Target: DNA de E.coli - Biorreceptor: oligos que se unen al DNA - Transductor: óptico (nuestros ojos) - Output: las nps cambian de color según si es positivo (rosa/rojo) – negativo (transparente) ¿Qué otro posible targets podríamos usar?: proteína de membrana celular que se exprese en una bacteria ¿Qué ventajas presenta este método comparado con los previos?: es más simple, rápido, sensible y sin necesidad de instrumentos sofisticados, además evita el uso de productos químicos peligrosos como el bromuro de etidio TERAPIA FOTOTÉRMICA Objetivo: destruir células cancerosas. La terapia fototérmica con Au NPs es prometedora debido a su alta eficacia y su capacidad para tratar tumores de manera mínimamente invasiva, reduciendo potencialmente los efectos secundarios en comparación con otros métodos de tratamiento. CARACTERÍSTICAS: Selección y Administración: Las Au NPs se modifican para unirse a biomarcadores específicos en células tumorales mediante anticuerpos o ligandos y se administran al paciente, generalmente por inyección intravenosa. Acumulación en el Tumor: Las Au NPs se acumulan preferentemente en el tejido tumoral gracias a su afinidad por las células cancerosas. Exposición a Luz NIR: Se aplica luz infrarroja cercana (NIR) al área afectada, que es absorbida eficazmente por las Au NPs debido a la resonancia de plasmón de superficie localizado (LSPR). Generación de Calor: La absorción de luz NIR calienta las Au NPs, transfiriendo calor al tejido circundante y destruyendo las células tumorales por termólisis. Destrucción del Tumor: El calor generado elimina las células cancerosas, reduciendo o eliminando el tumor mientras minimiza el daño a los tejidos sanos circundantes 5 MECANISMO DE ACCIÓN Varía dependiendo de su aplicación y su funcionamiento se basa en sus propiedades físicas, químicas y biológicas únicas. - Propiedades ópticas y foto-térmicas - Transporte y liberación de fármacos - Interacción con células y membranas - Modulación del sistema inmune - Efectos citotóxicos - Aplicaciones en diagnóstico 2. NPS PLATA (AG) CARACTERÍSTICAS Partículas de plata con tamaños en la escala nanométrica (1-100 nm). - Propiedades: Alta superficie específica y propiedades antimicrobianas destacadas. - Formas Comunes: Esféricas, cúbicas, y de forma irregular. - Propiedades Antimicrobianas: Efectivas contra bacterias, virus y hongos. - Biocompatibilidad: Generalmente bien toleradas en aplicaciones médicas. - Catalizadores: Eficientes en reacciones químicas MECANISMO 1. Liberación de iones de plata que interfieren con la función celular de los microorganismos. 2. Iones de plata se unen a proteínas y ácidos nucleicos, causando daño celular y muerte del patógeno. Produce generación de ROS APLICACIONES Recubrimientos antibacterianos en dispositivos médicos, apósitos y cremas. 6 3. NPS HIERRO (FE) CARACTERÍSTICAS Partículas de hierro con tamaños nanométricos (1-100 nm). Propiedades: Magnetismo y capacidad de absorción de luz, dependiendo de la forma (Fe⁰ o Fe₃O₄). Formas Comunes: Esféricas y en forma de varillas El tipo de síntesis es crucial en la determinación del tamaño de las nanopartículas. APLICACIONES IMÁGENES MÉDICAS: Utilizadas como agentes de contraste en resonancia magnética (MRI). TERAPIA MAGNÉTICA: Aplicaciones en hipertermia magnética para tratar tumores. Generan calor al ser expuestas a un campo magnético alterno, destruyendo células cancerosas. Ejemplo hipertermia magnética (video) CATALIZADORES: Usadas en reacciones químicas y procesos de limpieza DIAGNÓSTICO POR IMAGEN: Las nanopartículas de hierro modifican el campo magnético, mejorando la visibilidad del área en MRI. El tamaño del núcleo de las nanopartículas afecta el comportamiento magnético debido a cambios en la interacción entre espines. Núcleo Grande: comportamiento superparamagnético Núcleo Pequeño: comportamiento paramagnético TERAPIA MAGNÉTICA: Generan calor al ser expuestas a un campo magnético alterno, destruyendo células cancerosas. ** No es buena terapia el delivery de partículas a nivel de tumor por que genera inflamación y tiene espacio limitado por el cráneo. 7 4. NPS DE TITANIO Partículas de dióxido de titanio con tamaño nm. Forma Común: Esféricas y de forma irregular. PROPIEDADES: Alta estabilidad: Resistencia a la degradación en condiciones ambientales Fotocatalítico: Genera pares de electrones y huecos al absorber luz UV, que reaccionan con contaminantes. Uso: Descomposición de contaminantes en agua y aire. Protección Solar: Actúa como un filtro físico que refleja y dispersa la luz UV y reduce la penetración en la célula. Uso: Bloqueo de rayos UV en productos cosméticos. EJERCICIO ¿Qué toxicidades se reportan sobre este tipo NPs? Daño a nivel de piel, ROS y renal ¿Qué estudios de toxicidad se realizan? In vitro, in vivo??? IN VITRO: citotoxicidad, genotoxicidad, producción de especies reactivas de oxígeno e inflamación. IN VIVO: poblacionales 8 NANOPARTICULAS POLIMÉRICAS Las nanopartículas poliméricas son partículas de polímeros (más grandes que las metálicas). Transportan fármacos, proteínas y ADN a células y órganos específicos → Los fármacos pueden estar disueltos, atrapados, encapsulados o adheridos a su matriz, o pueden absorberse en su matriz debido a las grandes áreas superficiales. Su tamaño nanométrico favorece una permeación efectiva a través de las membranas celulares y estabilidad en el torrente sanguíneo. VENTAJAS Biocompatibilidad: A menudo bien toleradas por el organismo. Capacidad de Carga: Pueden transportar una gran cantidad de sustancias, como fármacos o agentes de contraste. Liberación Controlada: Permiten liberar su contenido de manera controlada y sostenida. DESVENTAJAS Fabricación compleja, costosa y de bajo rendimiento Difícil ajuste de dosis Estabilidad a Largo Plazo: Algunas tienen problemas de estabilidad a largo plazo. TIPOS DE PNPS El término "nanopartícula" incluye tanto las nanocápsulas como las nanosferas, que se diferencian en su morfología: - Nanocápsulas: son sistemas vesiculares que tienen un núcleo oleoso, donde generalmente se disuelve el fármaco, rodeado por una capa polimérica que controla el perfil de liberación del fármaco desde el núcleo. - Nanosferas: formadas por una red polimérica continua, en la que el fármaco puede estar disuelto en el interior o adsorbido en su superficie de forma homogénea. COMPUESTOS Y SÍNTESIS Polímeros naturales: proteínas o polisacáridos Sintéticos hidrofóbicos: polímeros preformados o polimerizados en el proceso 9 SINTESIS Dispersión de polímeros preformados: se parte de un polímero y se obtienen nanocápsulas 1. Disolución del polímero: disolvente orgánico 2. Emulsificación: forma micelas 3. Formación de nanopartículas 4. Purificación Polimerización de monómeros: se parte de un monómero y da nanoesferas 1. Monómeros y agentes de reticulación (crosslinkers) 2. Emulsión: forma micelas 3. Polimerización: moléculas iniciadoras (térmico, químico o fotoquímico) 4. Formación de nanopartículas 5. Estabilización y purificación APLICACIONES Liberación de corticoides Terapia anticancerígena Cruce de BHE Vacunas y terapia génica Diagnóstico Administración ocular 1. NANOPARTICULAS DE POLIESTER Producidas mediante dispersión de polímeros preformados USO: liberación controlada de fármacos. Son especialmente útiles en la administración de anticancerígenos, ya que permiten una liberación sostenida y localizada en el sitio objetivo. 2. NANOESFERAS DE POLÍMERO DE ETILENO Y ESTIRENO Producidas mediante Polimerización de monómeros USO: Transporte de proteínas y vacunas Liberación controlada de fármacos 10 EJERCICIO ¿Cuáles son las principales ventajas de usar nanopartículas poliméricas de poliéster en comparación con otros métodos de tratamiento del cáncer? Son baratas de producción comparadas con otras nanopartículas (usan polisacáridos), tiene una superficie de carga mucho mayor y permite encapsular el fármaco y controlar el delivery (liberación sostenida y localizada). ¿Qué métodos se utilizan para sintetizar estas nanopartículas y cuáles son sus características principales? Dispersión de polímeros preformados (se parte de un polímero y se obtienen nanocápsulas) Factores modifican la liberación de los compuestos: pH, tiempo, superficie si esta funcionalizada EJERCICIO ¿Cuál es el mecanismo de acción para eliminar Leishmania? Los fármacos son muy tóxicos (sobre todo a nivel de riñón) y al estar encapsulados esta se reduce y también la degradación del fármaco. Además, suelen estar funcionalizados, de esta forma permite dirigir el fármaco específicamente a las células infectadas reduciendo al toxicidad. Por último , producen una mejor penetración celular y efecto sostenido. En resumen protección del fármaco, liberación controlada, mejora de biodisponibilidad y dirección hacia el sitio de acción. ¿Como altera el Ph la liberación del fármaco? Muchos polímeros utilizados en nanopartículas son pH-sensibles, esto significa que su estructura puede cambiar dependiendo del nivel de acidez o alcalinidad del entorno y por lo tanto liberan más o menos fármaco. Se diseñan según donde se quiere que se libere el fármaco (pj: estomago) RESUMEN TEMA 2 11 3. LIPOSOMAS Y NANOVESÍCULAS LIPOSOMAS DEFINICIÓN ESTRUCTURA BÁSICA Los liposomas son vesículas esféricas formadas por una o más capas de fosfolípidos, que pueden encapsular sustancias hidrofílicas e hidrofóbicas, permitiendo su transporte en el sistema biológico. TAMAÑO Y CARACTERÍSTICAS Tamaño: varía entre 20 nm y micrómetros → mejora entrega de fármacos y biodisponibilidad. APLICACIONES EN BIOMEDICINA Su capacidad para encapsular medicamentos y mejorar su solubilidad ha llevado a su uso en terapias dirigidas, vacunas y tratamientos contra el cáncer. HISTORIA Y DESARROLLO Orígenes en la investigación Fueron descubiertos por Alec D. Bangham, quien observó que las membranas celulares podían formar vesículas esféricas al ser expuestas a soluciones acuosas. A lo largo de las décadas se han desarrollado técnicas para la preparación de liposomas: Hidrólisis de películas lipídicas y extrusión ESTRUCTURA Y COMPOSICIÓN COMPOSICIÓN LIPÍDICA Los liposomas están compuestos principalmente por fosfolípidos, que forman una bicapa lipídica, permitiendo la formación de una estructura esférica que puede encapsular diferentes tipos de moléculas. INTERACCIÓN CON EL AGUA La disposición de los fosfolípidos en los liposomas crea un entorno hidrofílico en el interior y una superficie hidrofóbica en el exterior, lo que les permite interactuar eficazmente con medios acuosos y mejorar la solubilidad de compuestos hidrofóbicos. VARIABILIDAD ESTRUCTURAL Existen diferentes tipos de liposomas, como los liposomas unilaminar y multilaminares, que varían en su número de capas y tamaño, lo que influye en su funcionalidad y aplicaciones en la entrega de fármacos. 12 CLASIFICACÓN SEGÚN ESTRUCTURA UNILAMELARES Liposomas formados por una única bicapa PLURILAMELARES Liposomas formados por varias bicapas METODOS DE PREPARACIÓN MÉTODO DE BANGHAM Este método implica la formación de una película lipídica a partir de disolventes orgánicos, que luego se hidrata para formar liposomas. Simple y no requiere equipos Genera liposomas de gran tamaño y heterogéneos EXTRUSIÓN Es una técnica que consiste en forzar la suspensión de liposomas a través de membranas porosas, lo que permite un control preciso del tamaño y la homogeneidad de las vesículas, mejorando su estabilidad y eficacia en aplicaciones terapéuticas La membrana define el tamaño SONICACIÓN Este método utiliza ondas ultrasónicas para dispersar los lípidos en solución, generando liposomas a partir de emulsiones. Preparación rápida de liposomas y puede ser ajustado para modificar el tamaño y la carga superficial de las vesículas Distribución de tamaño no uniforme Baja capacidad de encapsulación Temperatura elevada 13  APLICACIONES EN MEDICINA ENTREGA DE FÁRMACOS Se utilizan para encapsular medicamentos, mejoran su solubilidad y biodisponibilidad, lo que permite una administración más efectiva y dirigida en tratamientos oncológicos y enf crónicas. VACUNAS LIPOSOMALES Se han desarrollado vacunas con liposomas que potencian la respuesta inmune del organismo y mejoran la eficacia de las vacunas contra diversas infecciones y enfermedades virales. TERAPIAS GÉNICAS Los liposomas son empleados en la entrega de material genético, como ADN o ARN, facilitando la transferencia de genes terapéuticos a células específicas, lo que representa un avance significativo en el tratamiento de enfermedades genéticas. FUNCIONALIZACIÓN LIPOSOMAS A Liposomas convencionales: Formados por fosfolípidos neutros, diseñados para la entrega de medicamentos sin modificaciones. 2 Liposomas cargados (catiónicos y aniónicos): Contienen lípidos con carga, lo que les permite mejorar la interacción con células específicas. Liposomas pegilados (stealth): Modificados con PEG para aumentar su tiempo de circulación en 3 el cuerpo y disminuir inmunogenicidad 4 Inmunoliposomas: Liposomas que están funcionalizados con anticuerpos o fragmentos de anticuerpos, lo que les permite dirigirse específicamente a células o tejidos diana. 5 Depo-foam: Un sistema de liberación sostenida que utiliza liposomas para administrar medicamentos de manera controlada durante períodos prolongados. 6 Estímulo sensible: Liposomas que son sensibles a estímulos específicos (el pH o Tª) y liberan su contenido en condiciones determinadas, mejorando la entrega del fármaco. EJERCICIO Ventajas del encapsulamiento de las vacunas mRNA en liposomas Protección y almacenamiento del mRNA (aumenta estabilidad y no se degrada en el torrente sanguíneo), es necesaria menos dosis porque aumenta la eficacia y se mejora la entrega a las células diana. Además, se reduce la inmunogenicidad y toxicidad ¿Qué tipo de funcionalización tenía la vacuna de moderna y la Pfizer? Utilizan nanopartículas lipídicas (LNP). Funcionalización con moléculas cargadas con cationes que aumentan la interacción e internalización del mRNA (carga -) por parte de las células, con PEG que disminuye el efecto inmunogénico (opsonización). Además, utilizan el fosfolípido DSPC que es utilizado para formar la bicapa lipídica que estabiliza la estructura, además los nanolípidos protegen el ARN y proporcionan un exterior “grasoso” que ayuda a que el ARNm se deslice dentro de las células. 14 NANOVESÍCULAS DEFINICIÓN Las nanovesículas son estructuras esféricas de tamaño nanométrico, que pueden estar compuestas por lípidos, proteínas o polímeros, y son capaces de encapsular y transportar diversas moléculas, incluyendo fármacos y biomoléculas. Su tamaño reducido, entre 1 y 100 nm, les confiere propiedades únicas como una mayor permeabilidad celular y la capacidad de evadir el sistema inmunológico. DIFERENCIAS ENTRE LIPOSOMAS Y NANOVESÍCULAS ESTRUCTURA Y COMPOSICIÓN Liposomas: formados por una bicapa lipídica que encapsula un núcleo acuoso Nanovesículas: compuestas por lípidos, proteínas o polímeros Liposomas: 20 nm – micrómetros Nanovesículas: 1 a 100 nm APLICACIONES TERAPÉUTICAS Aunque ambos se utilizan en la entrega de fármacos, los liposomas son más comunes en la administración de medicamentos y vacunas. Las nanovesículas, en cambio, están emergiendo como herramientas versátiles en diagnóstico y terapia génica. TIPOS DE VESICULAS Y FUNCIONES MICROVESÍCULAS LIPÍDICAS (100 nm -1 um) Se origina por gemación directa de la membrana plasmática Contienen proteínas, lípidos, ARN... Uso: Entrega de fármacos, mejoran la solubilidad y biodisponibilidad de compuestos terapéuticos EXOSOMAS (30 y 150 nm) Originados de células eucariotas de la invaginación de la membrana del endosoma. Función: Comunicación celular, transporte de proteínas y ARN, Procesos biológicos como la respuesta inmune y la progresión del cáncer → Biomarcadores, entrega de fármacos, inmunoterapia. 15  IMPORTANCIA DE NANOVESÍCULAS EN BIOMEDICINA Y APP Q Mejora en la entrega de fármacos Administración más precisa y controlada de medicamentos, aumentando su eficacia terapéutica y reduciendo efectos secundarios al dirigir los fármacos directamente a las células objetivo. Terapia Génica - Vehículos para entregar ARN terapéutico a células diana. Pj: Exosomas de células madre que corrigen defectos genéticos en modelos de enfermedades. O Facilitación de diagnósticos avanzados Gracias a su capacidad para transportar biomarcadores y agentes de contraste, las nanovesículas son fundamentales en técnicas de diagnóstico molecular. Diagnóstico y Biomarcadores - Aislados de fluidos biológicos, reflejan el estado de salud. Pj: Identificación de proteínas y ARN en exosomas para detectar cáncer y monitorizar su progresión. EVALUACIÓN EXOSOMAS Y MICROVESICULAS PURIFICACIÓN - Ultracentrifugación: Aislamiento mediante centrifugación a alta velocidad. - Filtración: Separación por tamaño usando membranas. - Diálisis y Ultrafiltración: Purificación eliminando contaminantes. - Inmunoafinidad: Aislamiento selectivo con anticuerpos específicos ACTIVIDAD 1.¿Qué tipos de contaminantes pueden estar presentes en una preparación de exosomas y cómo pueden afectar los resultados experimentales? Proteínas y lipoproteínas solubles, ácidos nucleicos solubles, restos celulares, componentes del suero, agentes patógenos, membranas celulares... Impactos en resultados: sesgo en estudios proteómicos/genómicos, afectación de estudios funcionales, imprecisión en cuantificación, alteración en biodistribución in vivo. 2.¿Por qué es importante utilizar medio sin suero (por ejemplo, sin suero fetal bovino, FBS) durante la recolección de exosomas, y cómo puede afectar la calidad de los exosomas aislados si se utiliza suero en el medio de cultivo? Las vesículas y proteínas presentes en el suero pueden comprometer la calidad y pureza de los exosomas aislados, por ejemplo, los exosomas bovinos pueden no diferenciarse de los de interés. 3.¿Qué tipo de cultivos celulares se utilizan para su producción? Líneas celulares inmortalizadas (HELA) porque pueden crecer de manera indefinida y producir exosomas de manera constante. Y células madre y tumorales según las necesidades. 16 ANÁLISIS Espectroscopia de Masa: Análisis del contenido molecular (proteínas, lípidos). Microscopía Electrónica: Visualización de morfología a alta resolución. Nanopore Sequencing: Análisis del contenido de ARN. Western Blot: Detección de proteínas específicas EVALUACIÓN DE LA ESTABILIDAD Y EFICACIA Caracterización - La estabilidad de liposomas y nanovesículas se evalúa mediante técnicas como la medición de tamaño, carga superficial y encapsulación, que permiten determinar su integridad y funcionalidad a lo largo del tiempo. Factores que afectan la estabilidad - La temperatura, pH y la presenciade agentes externos como sales o surfactantes pueden influir en la estabilidad de las vesículas, lo que es crucial para su eficacia en aplicaciones terapéuticas Eficacia en la entrega de fármacos - La evaluación de la eficacia se centra en la capacidad de las vesículas para liberar su contenido en el sitio objetivo, lo que se analiza a través de estudio sin vitro e in vivo que simulan condiciones fisiológicas DESAFÍOS EN LA PRODUCCIÓN DE LIPOSOMAS Y NANOVESÍCULAS Escalabilidad Control del Tamaño y Uniformidad Encapsulación Eficiente Estabilidad durante el Almacenamiento Reproducibilidad Biodistribución y Toxicidad (inmunógenos) Costos de Producción TABLA RESUMEN 17 NANOTUBOS DE CARBONO (CNTS) INTRODUCCIÓN Los nanotubos de carbono son estructuras cilíndricas formadas por átomos de carbono dispuestos en una red hexagonal, que pueden ser de un solo pared (SWNT) o múltiples paredes (MWNT). PROPIEDADES FÍSICAS Y QUÍMICAS PROPIEDADES MECÁNICAS Presentan una gran resistencia y estabilidad química (son más fuertes que el acero), resistiendo la corrosión y degradación, lo que los hace ideales para aplicaciones en biomedicina que requieren materiales robustos, ligeros y no degradables en entornos biológicos → Andamios para regeneración tisular CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA Presentan una alta conductividad eléctrica y térmica, además de su capacidad para reaccionar con diversas moléculas, facilitando la funcionalización. Los nanotubos son conductores o semiconductores, lo que permite su uso en sensores y sistemas de liberación de fármacos. BIOCOMPATIBILIDAD Pueden ser diseñados para ser biocompatibles, minimizando la toxicidad y mejorando la interacción con células y tejidos → medicina regenerativa y terapias dirigidas MÉTODOS DE SÍNTESIS Síntesis por deposición química - Este método implica la deposición de carbono a partir de gases precursores en un sustrato, formación permitiendo controlada la de nanotubos de carbono con propiedades específicas. Altos costes y condiciones difíciles de genera. Síntesis por arco eléctrico - Utiliza un arco eléctrico entre electrodos de grafito para vaporizar el carbono, generando nanotubos que pueden ser recolectados y purificados. Ofreciendo una alta calidad y rendimiento en la producción de nanotubos para usos médicos. Condiciones de proceso Extremas y generación de subproductos- difícil purificación. Síntesis por láser - Consiste en la ablación de un blanco de grafito con un láser en una atmósfera controlada, lo que produce nanotubos de carbono únicas, integración con ideales en características para su dispositivos biomédicos avanzados. Alta pureza , gran precisión, condiciones menos extremas. 18 ACTIVIDAD: funcionalización NC ¿Qué biomoléculas se pueden conjugar con los nanotubos de carbono? Proteínas y péptidos (anticuerpos y enzimas), ácidos nucleicos (DNA y RNA), glúcidos (facilitan internalización y biocompatibilidad), lípidos (favorecen inserción em membranas) y polímeros (aumentan la vida media y la interacción). También se pueden conjugar con fármacos o vitaminas. Otras las combinan las nanopartículas para usarlas en terapias fototérmica y magnética. Que tipo de funcionalización debería usar para aumentar la internalización Para aumentar la internalización de la diana: uso de anticuerpos o ligandos específicos, cationes (membrana tiene carga ligeramente – y hay interacción electroestática), glúcidos (las células tienen receptores de internalización de glúcidos), péptidos específicos (péptidos de penetración celular CPP) y PEG (mejora solubilidad y biocompatibilidad). APLICACIONES DRUG DELIVERY Estrategias de liberación controlada - permiten la liberación controlada de fármacos según pH y temperatura, lo que mejora la eficacia terapéutica y reduce los efectos secundarios al administrar medicamentos de manera más precisa en el sitio objetivo. Funcionalización de nanotubos - La modificación química de nanotubos de carbono facilita la carga de fármacos específicos, optimizando su solubilidad y estabilidad, lo que es crucial para el desarrollo de sistemas de liberación de sitio objetivo. Fármacos personalizados. Aplicaciones en tratamientos oncológicos - Los nanotubos de carbono se utilizan en la entrega de agentes quimioterapéuticos, mejorando la acumulación en células tumorales y aumentando la eficacia del tratamiento al minimizar la toxicidad en tejidos sanos. NANOTUBOS COMO AGENTES DE IMÁGENES MÉDICAS Mejora de la resolución – pueden usarse los nanotubos de carbono como agentes de contraste en técnicas de imagen como la resonancia magnética, mejorando la resolución y la claridad de las imágenes obtenidas. Biocompatibilidad – la capacidad de funcionalizar nanotubos de carbono permite su conjugación con biomoléculas lo que aumenta su biocompatibilidad y eficacia como agentes de imágenes en aplicaciones médicas específicas Aplicaciones en diagnóstico temprano – gracias a su alta sensibilidad , los nanotubos de carbono se están investigando para su uso en la detección temprana de enfermedades , permitiendo diagnósticos mas precisos y oportunos en medicina. 19 APLICACIÓN EN TERAPIA GÉNICA Transporte de genes - los nanotubos de carbono pueden ser utilizados como vehículos para la entrega eficiente de material genético. Modulación de la expresión génica - gracias a su capacidad para interactuar con ácidos nucleicos, los nanotubos de carbono pueden ser diseñados para regular la expresión- siRNA para el silenciamiento de genes específicos Reducción de toxicidad - la funcionalización de nanotubos de carbono permite una entrega más precisa de agentes terapéuticos, minimizando la toxicidad REGENERACIÓN DE TEJIDOS Soporte estructural – nos proporcionan un andamiaje ideal para la regeneración de tejidos, mejorando la adhesion celular y promoviendo la proliferación de células madre en entornos biológicos Liberación de factores de crecimiento - su capacidad para ser funcionalizados permite la carga y liberación controlada de factores de crecimiento , lo que estimula la regeneración celular y acelera el proceso de curación en tejidos dañados Integración con biomateriales – son combinados con otros biomateriales para crear compuestos híbridos que mejoras las propiedades mecánicas y biocompatibilidad, optimizando su uso en aplicaciones de ingeniería de tejido. ACTIVIDAD Describir aplicación de este nanotubo de carbono (artículo) – marcaje en resonancia magnética ¿Cuál fue el objetivo del estudio? – como contraste de imagen para mejorar la imagen ¿Qué métodos de funcionalización o caracterización se utilizaron? – agente quelante gadolinium 20  B2 – TECNOLOGÍAS Y SÍNTESIS 4. TÉCNICAS DE MICROFABRICACIÓN Y APLICACIONES EN DISPOSITIVOS BIOMEDICOS TECNICAS DE MICROFABRICACIÓN Conjunto de técnicas utilizadas para fabricar estructuras y dispositivos a microescala (1 a 100 micrómetros) en materiales como: Silicio Polímeros Metales Estas técnicas son fundamentales en la creación de dispositivos electrónicos, microelectromecánicos, y en aplicaciones en biomedicina como microfluidos y biosensores. 1. FOTOLITOGRAFÍA Principios - la fotolitografía es una técnica fundamental en microfabricación que utiliza luz para transferir patrones a un sustrato. Procesos - incluye pasos como la aplicación de fotorresina, exposición a la luz y revelado del patrón. Ejemplos - se utiliza en la creación de microestructuras para dispositivos biomédicos como sensores y microchips. APLICACIONES EN BIOMEDICINA Sensores Miniaturizados - la fotolitografía permite crear sensores de tamaño microscópico para monitoreo de parámetros biológicos. Microchips de Diagnóstico - se utilizan para fabricar microchips capaces de realizar análisis rápidos de muestras biológicas. Implantes Biomédicos - Facilita la producción de componentes miniaturizados para implantes médicos avanzados 2. GRABADO Grabado Húmedo – Utiliza soluciones químicas para eliminar material de forma selectiva. Es efectivo para ciertos materiales y geometrías simples. Grabado Seco – Emplea plasma o gases reactivos para remover material. Ofrece mayor precisión y es adecuado para estructuras más complejas. *Isotrópico se expande, mientras que el anisotrópico es vertical 21 MICROCANALES PARA ANÁLISI S DE FLUIDOS BIOLÓGICOS Diseño - los microcanales se diseñan para manipular pequeños volúmenes de fluidos biológicos. Fabricación - se utilizan técnicas de grabado para crear canales microscópicos en sustratos como vidrio o polímeros. Aplicación - permiten realizar análisis rápidos y precisos de sangre, orina y otros fluidos corporales. 3. DEPÓSITO DE MATERIALES Estas técnicas son fundamentales para crear capas funcionales en sensores biomédicos. Deposición Física - Incluye técnicas como la evaporación y la pulverización catódica para depositar capas delgadas de materiales. Deposición Química - Usa reacciones químicas para formar capas de material sobre un sustrato APLICACIONES EN SENSORES BIOMÉDICOS Capas Biocompatibles - Se depositan para mejorar la integración de los sensores con el tejido biológico. Electrodos Sensibles - Capas de materiales específicos aumentan la sensibilidad de los sensores a moléculas biológicas. Recubrimientos Protectores - Protegen los componentes electrónicos de los fluidos corporales y prolongan la vida útil del sensor. Sensor implantable diseñado para monitorear la glucosa en pacientes diabéticos puede estar recubierto con una capa de polipirrol. Polipirrol (PPy) es un polímero conductor formado a partir de la polimerización del monómero pirrol. Propiedades: - Conductor: Tiene la capacidad de conducir electricidad - Estabilidad: Exhibe buena estabilidad térmica y química. - Biocompatibilidad: Es compatible con sistemas biológicos, lo que lo hace adecuado para aplicaciones médicas 22 4.TÉCNICA DE MICROFABRICACIÓN: MICROMECANIZADO DEFINICIÓN El micromecanizado es una técnica para crear estructuras tridimensionales a escala microscópica APLICACIÓN El micromecanizado en el campo biomédico se utiliza principalmente para fabricar biosensores, dispositivos de microfluidos e implantes médicos. MICROAGUJAS PARA ADMINISTRACIÓN DE FÁRMACOS Las microagujas son estructuras microscópicas diseñadas para penetrar la piel de forma mínimamente invasiva. Fabricación Se fabrican mediante técnicas de micromecanizado, permitiendo crear agujas de tamaño y forma precisos. Ventajas Ofrecen una administración de fármacos indolora y eficiente, mejorando la experiencia del paciente. APLICACIONES EN DIPOSITIVOS BIOMÉDICOS 1. MICROELECTRODOS Se pueden usar en: Neurociencia - Los microelectrodos se utilizan para la estimulación y registro de señales neuronales. Cardiología - Son componentes esenciales en marcapasos y otros dispositivos cardíacos. Ventajas Permiten una interacción precisa con el tejido biológico a nivel celular MICROELECTRODOS EN NEUROCIENCIA Registro Neural - Los microelectrodos capturan señales eléctricas de neuronas individuales. Estimulación - Pueden estimular áreas específicas del cerebro para estudios o tratamientos. Investigación - Son fundamentales en la investigación de la función cerebral y trastornos neurológicos. 23 MICROELECTRODOS EN CARDIOLOGÍA Marcapasos - Los microelectrodos en marcapasos estimulan el corazón para mantener un ritmo cardíaco adecuado. Monitorización - Permiten el seguimiento continuo de la actividad cardíaca en pacientes con problemas de ritmo. 3 Miniaturización - La reducción del tamaño de los electrodos mejora la comodidad y reduce el riesgo de complicaciones. EJERCICIO ¿Cuáles son las principales ventajas que ofrece la técnica MEA frente a otras herramientas para el estudio de la actividad eléctrica celular? Técnica más precisa, estudio específico de las características celulares, monitoreo simultaneo de múltiples células, … ¿Qué otras aplicaciones potenciales, además de las mencionadas, podrían explorarse utilizando la tecnología MEA en investigación biomédica? Medicina regenerativa y terapia celular (evaluación y control de células in vitro y ya trasplantadas) y estudios individualizados para la clínica. 2. MACROSISTEMAS DE ADMINISTRACIÓN DE FÁRMACOS Ventajas - Mejoran la eficacia del tratamiento y reducen los efectos secundarios al optimizar la dosificación. BOMBAS DE INSULINA MINIATURIZADAS Dispositivos miniaturizados que administran insulina de forma controlada para pacientes diabéticos. Diseño - Las bombas de insulina miniaturizadas se diseñan para ser discretas y cómodas para el usuario. 2 Funcionamiento - Administran insulina de forma continua, ajustando las dosis según las necesidades del paciente. Beneficios - Ofrecen un mejor control de la glucemia y mayor libertad en el estilo de vida de los pacientes diabéticos. 24 SISTEMAS DE LIBERACIÓN CONTROLADA Permiten la liberación gradual y precisa de medicamentos en el cuerpo. Mecanismos - Utilizan materiales y estructuras microscópicas para controlar la liberación de fármacos. Aplicaciones - Se usan en tratamientos de cáncer, enfermedades crónicas y terapias hormonales. Ventajas - Permiten mantener niveles terapéuticos constantes y reducir la frecuencia de administración. 3. IMPLANTES BIOMÉDICOS SENSORES DE GLUCOSA IMPLANTABLES Funcionamiento - Los sensores de glucosa implantables miden continuamente los niveles de azúcar en sangre. Tecnología - Utilizan microelectrodos y materiales biocompatibles para detectar cambios en la glucosa intersticial. Impacto - Permiten una monitorización continua, mejorando significativamente el manejo de la diabetes MONITARIZACIÓN CONTINUA - Recolección de Datos - El sensor implantable recopila datos de glucosa constantemente. - Transmisión - Los datos se envían a un dispositivo externo para su análisis. - Intervención - Permite ajustes rápidos en el tratamiento basados en datos en tiempo real. INNOVACIÓN Y FUTURO NEUROCIENCIA Interfaces Cerebro-Computadora Desarrollo de sistemas más avanzados para controlar dispositivos con el pensamiento. Tratamiento de Enfermedades Neurológicas Nuevas terapias para condiciones como Parkinson o epilepsia basadas en estimulación precisa. Prótesis Neurales Mejora en la conexión entre prótesis y sistema nervioso para un control más natural. 25 SISTEMAS DE LIBREACIÓN CONTROLADA Hidrogeles Inteligentes Materiales que cambian su estructura en respuesta a condiciones específicas para liberar fármacos. Microchips Programables Dispositivos que pueden programarse para liberar múltiples fármacos en momentos precisos. Nanorobots Terapéuticos Desarrollo de nanorobots capaces de navegar por el cuerpo y liberar fármacos en sitios específicos. DESAFÍOS Biocompatibilidad a Largo Plazo - Asegurar que los dispositivos implantables no causen reacciones adversas con el tiempo. Escalabilidad - Desarrollar métodos de producción en masa para tecnologías altamente especializadas. Regulación y Aprobación - Dependiente de cada país ÉTICA Y SEGURIDAD Privacidad de Datos - Proteger la información sensible recopilada por dispositivos biomédicos miniaturizados. Acceso Equitativo - Asegurar que las nuevas tecnologías estén disponibles para todos los sectores de la sociedad 26 5. NANOSENSORES, BIOSENSORES Y LAB ON A CHIP NANOSENSORES Los nanosensores son dispositivos de escala nanométrica (1-100 nm) capaces de detectar y medir cambios físicos o químicos en su entorno. Su tamaño ultrapequeño les permite interactuar con moléculas individuales, proporcionando una sensibilidad y especificidad extraordinarias. BIOSENSORES Los biosensores son dispositivos analíticos que combinan un componente biológico (como enzimas, anticuerpos o ADN) con un transductor físico-químico. Estos dispositivos pueden detectar y cuantificar biomoléculas específicas, convirtiéndolas en señales medibles DIFERENCIAS Y SIMILITUDES Mientras que los nanosensores se basan en propiedades físico-químicas a escala nano, los biosensores utilizan componentes biológicos. Sin embargo, ambos comparten el objetivo de proporcionar detección altamente sensible y específica en aplicaciones biomédicas NANOSENSORES Tipos de nanosensores: - Ópticos - Electroquímicos - Magnéticos 1.NANOSENSORES ÓPTICOS PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Los nanosensores ópticos se basan en la interacción de la luz con nanomateriales. Pueden detectar cambios en propiedades ópticas como absorción, fluorescencia o dispersión de luz. TIPOS DE DETECCIÓN Incluyen nanosensores basados en nanopartículas plasmónicas, puntos cuánticos y nanotubos de carbono fluorescentes. Cada uno ofrece ventajas únicas en términos de sensibilidad y especificidad. APLICACIONES Se utilizan para detectar biomoléculas, monitorear cambios en el pH celular, y en imagen molecular. Su alta sensibilidad los hace ideales para la detección temprana de enfermedades 27 2.NANOSENSORES ELECTROQUÍMICOS PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Detectan cambios en las propiedades eléctricas (como corriente, potencial o conductividad) que ocurren cuando las moléculas objetivo interactúan con la superficie del sensor. COMPONENTES Típicamente consisten en electrodos nanoestructurados que pueden ser funcionalizados con moléculas de reconocimiento específicas para mejorar la selectividad. VENTAJAS Ofrecen alta sensibilidad, respuesta rápida y la posibilidad de miniaturización, lo que los hace ideales para aplicaciones de seguimiento en tiempo real y dispositivos portátiles. APLICACIONES Se utilizan ampliamente en la detección de glucosa, pharmacokinetic y detección de biomarcadores de enfermedades en fluidos corporales. Sensores proporcionen una imagen más clara de cómo los síntomas se relacionan con los cambios en la química del cerebro, sobre todo se aplica en Parkinson o depresión. Al final lo que se quiere es que se puedan generar esos nanosensores para que puedan ser terapias. 3.NANOSENSORES MAGNÉTICOS PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Utilizan nanopartículas magnéticas o materiales magnetoresistivos para detectar cambios en campos magnéticos locales causados por la presencia de moléculas objetivo. COMPONENTES Nanopartículas magnéticas funcionalizadas: nanopartículas magnéticas que han sido modificadas para tener propiedades específicas, lo que les permite interactuar con otros materiales de manera controlada. Sensores magnetoresistivos: - Válvulas de espín: Son dispositivos que utilizan una propiedad especial de los electrones llamada espín. Esta propiedad les permite detectar y controlar señales magnéticas. Las válvulas de espín cambian su resistencia eléctrica dependiendo de la dirección del campo magnético, lo que les ayuda a medirlo con precisión. - Sensores de efecto Hall gigante: Estos sensores aumentan la tensión (o voltaje) que se genera en un conductor cuando se expone a un campo magnético. Son útiles para detectar campos magnéticos de manera muy sensible. APLICACIONES Se utilizan en la detección de patógenos, separación celular magnética (calor + destrucción células) y en técnicas de imagen por resonancia magnética mejoradas. 28 BIOSENSORES Tipos de biorreceptores: Tipos de traductores: - Enzimáticos - Electroquímicos - De afinidad: anticuerpos o DNA - Ópticos - Celulares - Piezoeléctricos (cambio en energía) - Calorimétricos 1.BIOSENSORES ENZIMÁTICOS PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Los biosensores enzimáticos utilizan enzimas como elementos de reconocimiento biológico. La enzima cataliza una reacción específica con el analito, produciendo una señal medible (como cambios eléctricos o ópticos) COMPONENTES Elemento biológico (enzima): Interactúa con el analito. Realiza la reacción química. Soporte o transductor: Superficie para inmovilizar la enzima. Conduce el cambio bioquímico a señal eléctrica. Sistema de detección: Convierte el cambio químico en señal eléctrica. Mide corriente, voltaje o impedancia. Electrodos: Permiten la transferencia de electrones. Sistema de amplificación y procesamiento de señales: Amplifica la señal eléctrica VENTAJAS Alta especificidad debido a la naturaleza de las enzimas. Capacidad de amplificación de señal a través de la actividad catalítica. Amplia gama de enzimas disponibles para diferentes analitos. 29 TIPOS DE DISPOSITIVOS Dispositivos "off line" Muestras biológicas son recolectadas y los analitos objetivo se miden utilizando equipos analíticos basados en biosensores. Ejemplo: Dispositivos comerciales para medir la glucosa en sangre. Sensores "in vivo" Biosensores son implantados y detectan continuamente cambios extracelulares en las concentraciones del analito de interés. Limitaciones: Su naturaleza invasiva limita su uso principalmente a la investigación preclínica en modelos animales. Dispositivos "on-line" Biosensores están integrados con un dispositivo de muestreo implantado en el cuerpo o en material biológico. Ejemplo: Pruebas de microdiálisis que pueden ser implantados y conectados a un detector de flujo que incorpora un elemento biosensor ACTIVIDAD ¿Qué otros analitos podrías medir? Colesterol ¿Qué enzima utilizarías para ello? Colesterol oxidasa y Colesterol esterasa Aplicación: Medición de los niveles de colesterol en suero o sangre. La colesterol oxidasa oxida el colesterol a colest-4-en-3-ona, produciendo peróxido de hidrógeno, que puede ser detectado electroquímicamente. 2.BIOSENSORES DE AFINIDAD (AC) PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Los biosensores de afinidad basados en anticuerpos utilizan la alta especificidad de la interacción antígeno-anticuerpo. Cuando el antígeno objetivo se une al anticuerpo inmovilizado, se produce un cambio detectable. TIPOS Incluyen inmunobiosensores electroquímicos, ópticos (como los basados en resonancia de plasmones superficiales) y piezoeléctricos (un cambio de peso que conlleva a un cambio eléctrico) 30 VENTAJAS Extremadamente específicos y sensibles. Pueden detectar una amplia gama de moléculas, desde pequeñas proteínas hasta células enteras. APLICACIONES Detección de biomarcadores de enfermedades, monitoreo de fármacos terapéuticos, y detección de patógenos en alimentos y agua Nos permiten que la detección sea muy rápida y disminuye el coste porque no se necesitan técnicas tan complicadas. 3. BIOSENSORES DE AFINIDAD (DNA) PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Los biosensores de ADN se basan en la hibridación específica entre una secuencia de ADN objetivo y una sonda de ADN complementaria inmovilizada en el sensor. La hibridación produce un cambio detectable en las propiedades del sensor. TIPOS DE DETECCIÓN Incluyen detección electroquímica, óptica y gravimétrica VENTAJAS Alta especificidad debido a la complementariedad de bases. Capacidad de detectar mutaciones puntuales. Posibilidad de amplificación de señal mediante técnicas como PCR. APLICACIONES Diagnóstico de enfermedades genéticas, detección de patógenos, análisis forense y estudios de expresión génica en investigación biomédica. 31 4.BIOSENSORES CELULARES CONCEPTO Los biosensores celulares utilizan células vivas como elementos de reconocimiento. Detectan cambios en el metabolismo celular, la expresión génica o la morfología en respuesta a estímulos específicos. TIPOS DE DETECCIÓN Incluyen biosensores basados en: Microorganismos (como bacterias bioluminiscentes) Células de mamíferos (para estudios de toxicidad) Células modificadas genéticamente (para responder a estímulos específicos) VENTAJAS Proporcionan información sobre efectos biológicos complejos. Útiles para evaluar la toxicidad de compuestos y estudiar interacciones celulares en tiempo real. APLICACIONES Evaluación de la toxicidad de fármacos, detección de contaminantes ambientales, y estudios de señalización celular en investigación básica y aplicada. EJERCICIO 1.¿Qué tipo de células se utilizan en el biosensor descrito en el artículo y qué proteína fluorescente se emplea para la detección? 293/hTLR4A-MD2_CD14: línea celular modificada de células HEK293 que expresan en receptor TLR4 y sus co-rreceptres MD2 y CD14 Crecen muy fácilmente, son baratas y estables LPS es un componente de la membrana de las bacterias Gram – y TLR4 lo reconoce y forma un complejo con sus correceptores. Las células tienen genes que codifican para proteínas fluorescentes (mCherry) y al unirse TLR4 y LPS se activa la vía de NF-kB, relacionada con la proteína fluorescente y produce un aumento de fluorescencia. 2.¿Cómo cambia la fluorescencia de las células cuando detectan LPS? Se empieza a expresar la partícula mCherry 3.¿Por qué es importante utilizar una proteína fluorescente como mCherry en el diseño del biosensor? Permite marcar y cuantificar la cantidad de respuesta que hay. La síntesis de mCherry ¡ es muy rápida y en pocos minutos se puede analizar. Además no se degrada y permanece durante un tiempo para tener una ventana mayor de actuación. 32 PRINCIPIOS DE FUNCIONAMINETO 1.MECANISMOS DE DETECCIÓN RECONOCIMIENTO MOLECULAR La base de la detección es la interacción específica entre el analito y el elemento de reconocimiento (enzima, anticuerpo, ADN, etc.). Esta interacción debe ser altamente selectiva para garantizar la especificidad del sensor. CAMBIOS FISICO QUIMICOS La interacción de reconocimiento provoca cambios medibles en propiedades como la masa, carga eléctrica, índice de refracción o fluorescencia. Estos cambios son la base de la señal del sensor. AMPLIFICACIÓN DE SEÑAL Muchos sensores incorporan mecanismos de amplificación para mejorar la sensibilidad. Esto puede incluir reacciones enzimáticas en cascada, nanopartículas con múltiples sitios de unión o técnicas de PCR en biosensores de ADN. 2. TRASDUCCIÓN DE SEÑALES TRANSDUCCIÓN ELECTROQUÍMICA Convierte la interacción biológica en una señal eléctrica medible. Incluye métodos amperométricos (medición de corriente), potenciométricos (medición de potencial) y conductimétricos (cambios en la conductividad). Ideal para miniaturización y integración en dispositivos portátiles. TRANSDUCCIÓN ÓPTICA Basada en cambios en las propiedades ópticas como absorbancia, fluorescencia o índice de refracción. Incluye técnicas como la resonancia de plasmones superficiales (SPR) y la espectroscopía Raman mejorada por superficie (SERS). Ofrece alta sensibilidad y la posibilidad de detección sin marcadores. TRANSDUCCIÓN MECÁNICA Utiliza cambios en las propiedades mecánicas como masa o estrés superficial. Incluye biosensores basados en microbalanzas de cristal de cuarzo (QCM) y micropalancas. Proporciona mediciones directas y en tiempo real de interacciones biomoleculares. 33 APLICACIONES DIAGNÓSTICO TEMPRANO DE ENFERMEDADES Detección de biomarcadores - Nanosensores y biosensores pueden detectar biomarcadores de enfermedades en concentraciones extremadamente bajas, permitiendo el diagnóstico en etapas tempranas cuando el tratamiento es más efectivo. Cáncer - Sensores ultrasensibles para la detección de proteínas específicas del cáncer, ADN tumoral circulante y células tumorales circulantes en sangre, permitiendo la detección precoz y el monitoreo de la progresión del cáncer. Enfermedades cardiovasculares - Biosensores para la detección rápida de troponina y otros marcadores cardíacos, facilitando el diagnóstico temprano de infartos de miocardio y otras condiciones cardíacas Enfermedades neurodegenerativas - Nanosensores capaces de detectar biomarcadores de enfermedades como Alzheimer y Parkinson en fluidos corporales, potencialmente años antes de la aparición de los síntomas clínicos. MONITOREO DE BIOMOLÉCULAS Glucosa - Biosensores enzimáticos para el monitoreo continuo de glucosa en pacientes diabéticos, permitiendo un control más preciso de los niveles de azúcar en sangre. Hormonas - Nanosensores para la detección de hormonas como cortisol o tiroxina, facilitando el diagnóstico y seguimiento de trastornos endocrinos Neurotransmisores - Sensores electroquímicos miniaturizados para la detección en tiempo real de neurotransmisores como dopamina o serotonina, útiles en la investigación neurológica y psiquiátrica. Fármacos - Biosensores para el monitoreo terapéutico de fármacos, permitiendo ajustar las dosis de medicamentos de manera personalizada y evitar efectos adversos DETECCIÓN DE PATÓGENOS Bacterias – Biosensores basados en anticuerpos o aptámeros para la detección rápida de bacterias patógenas en alimentos y agua, mejorando la seguridad alimentaria y la salud pública. Virus - Nanosensores ultrasensibles capaces de detectar partículas virales o proteínas virales específicas. Parásitos - Biosensores para la detección de parásitos en sangre o heces, facilitando el diagnóstico de enfermedades. Resistencia a antibióticos - Sensores capaces de detectar rápidamente la resistencia a antibióticos en bacterias, permitiendo una selección más efectiva de tratamientos → resistencia antimicrobiana 34 LAB ON A CHIP Lab-on-a-Chip (LoC) es un dispositivo que integra una o varias funciones de laboratorio en un solo chip de tamaño milimétrico o centimétrico. Estos dispositivos manejan volúmenes de fluidos extremadamente pequeños, del orden de picolitros a nanolitros. CARACTERÍSTICAS CLAVE Miniaturización de procesos de laboratorio, integración de múltiples etapas analíticas, reducción significativa del volumen de muestra y reactivos, tiempos de análisis más cortos y la posibilidad de realizar análisis in situ o point-of- care. VENTAJAS Mayor eficiencia y precisión en los análisis Reducción de costos Portabilidad Capacidad de automatización Análisis paralelos de múltiples muestras PRINCIPIOS DE MICROFLUÍDICA CONCEPTO DE MICROFLUÍDICA La microfluídica es la ciencia y tecnología de sistemas que procesan o manipulan pequeñas cantidades de fluidos (10^-9 a 10^-18 litros) usando canales con dimensiones de decenas a cientos de micrómetros. FLUJO LAMINAR El flujo de líquidos es típicamente laminar debido a los bajos números de Reynolds. Esto permite un control preciso del movimiento de fluidos y partículas. TENSIÓN SUPERFICIAL Y CAPILARIDAD Los efectos de tensión superficial y capilaridad se vuelven dominantes a esta escala, influyendo significativamente en el comportamiento de los fluidos en los microcanales. DIFUSIÓN Y MEZCLA La mezcla en sistemas microfluídicos está dominada por la difusión molecular debido a la ausencia de turbulencia. Esto requiere diseños específicos para lograr una mezcla eficiente. 35 DISEÑO Y FABRICACIÓN: MATERIALES UTILIZADOS PDMS: materiales transparentes, flexibles y biocompatibles. Pero se une otras moléculas hidrofóbicas. Aplicaciones: Prototipado rápido y cultivos celulares Vidrio: inerte, transparente y no se unen otras moléculas hidrofóbicas. En cambio, es más compleja su fabricación y se pueden romper más fácilmente. Aplicaciones: requieren de resistencia química Silicona: alta precisión, pero costo elevado y opaco (no se ve lo que ocurre). Aplicaciones: sensores integrados, dispositivos complejos COMPONENTES Y FUNCIONAMIENTO: MICROCANALES Y VÁLVULAS MICROCANALES Son las "tuberías" del dispositivo microfluídico, típicamente con dimensiones de 10-100 μm. Su diseño determina el flujo y las interacciones de los fluidos. Pueden incluir serpentines para aumentar el tiempo de reacción o gradientes para estudios de quimiotaxis. VÁLVULAS MICROFLUÍDICAS Controlan el flujo de fluidos en el chip. Tipos comunes incluyen: 1. válvulas de membrana 2. válvulas de pinza 3. válvulas de fase INTEGRACIÓN Y CONTROL La combinación de microcanales y válvulas permite crear circuitos fluídicos complejos. Estos pueden ser controlados mediante presión externa, campos eléctricos o incluso estímulos químicos 36 EJERCICIO 1.¿Cuáles son las ventajas de la tecnología microfluídica en comparación con los métodos tradicionales de cultivo celular o modelos animales? Reduce el uso de animales y permite ver muchos parámetros a la vez (muchos sensores), se puede escalar fácilmente, es un entorno más controlado y en cáncer se puede crear el microambiente para recrear lo que ocurre en cada enfermedad 2.¿Qué es la biopsia líquida y cómo los sistemas LOC pueden facilitar este tipo de diagnóstico? Es una técnica diagnóstica mínimamente invasiva que permite detectar y analizar biomarcadores de cáncer y otras enfermedades a partir de fluidos corporales. Se utiliza especialmente para identificar células tumorales circulantes (CTCs), ADN libre circulante (cfDNA), o ADN tumoral circulante (ctDNA) que provienen de tumores sólidos y que circulan en el torrente sanguíneo. Ejemplo: reconocer receptores de estrógenos, se pueden identificar componentes y marcadores de la metástasis en una muestra de sangre. Las ventajas: detección sensible y rápida, análisis de muestras en miniatura, menos invasiva y bajo coste. 3.Explica el concepto de “órgano en un chip” y su relevancia en la investigación del cáncer. En la investigación del cáncer, los órganos en un chip son relevantes porque permiten modelar el microambiente tumoral, probar tratamientos personalizados, estudiar la metástasis y analizar la interacción del cáncer con otros tejidos, acelerando el desarrollo de terapias más efectivas. 4.¿Cómo pueden los sistemas LOC contribuir al desarrollo de tratamientos personalizados para el cáncer? Los sistemas LOC contribuyen al desarrollo de tratamientos personalizados para el cáncer al permitir el análisis rápido y preciso de biomarcadores individuales (ADN tumoral circulante o proteínas específicas). Estos dispositivos miniaturizados pueden identificar mutaciones genéticas, perfiles moleculares y la respuesta de las células tumorales a diferentes fármacos en muestras pequeñas y de forma automatizada. Gracias a su capacidad para realizar pruebas rápidas y de alta sensibilidad, los LOC permiten diseñar tratamientos específicos basados en las características únicas del tumor de cada paciente, mejorando la eficacia y reduciendo efectos secundarios. 37 TEMA 6: SÍNTESIS DE NANOPARTÍCULAS – MÉTODOS FÍSICOS Y QUÍMICOS MÉTODOS FÍSICOS Y QUÍMICOS DE SÍNTESIS MÉTODOS DE SÍNTESIS DE NANOPARTÍCULAS PARA APLICACIONES BIOMÉDICAS El proceso de síntesis es crucial ya que determina las propiedades clave de las NPs, como el tamaño, forma, distribución y funcionalización superficial, lo que afecta su comportamiento y aplicaciones. Control de propiedades: Métodos de síntesis precisos permiten ajustar las propiedades ópticas, eléctricas, magnéticas y catalíticas de las NPs, fundamentales para su uso en medicina, electrónica, energía y medio ambiente. Aplicaciones: Las diferencias en síntesis de NPs pueden mejorar la eficiencia de tratamientos médicos (como la liberación de fármacos), desarrollando sensores más sensibles, catalizadores avanzados. ENFOQUE DE ARRIBA HACIA ABAJO (TOP-DOWN) Definición: Síntesis de nanopartículas a partir de materiales en estado sólido, reduciéndolos a tamaños más pequeños. Técnicas: Principalmente métodos físicos. ENFOQUE DE ABAJO HACIA ARRIBA (BOTTOM-UP) Definición: Síntesis de nanopartículas a partir de moléculas más pequeñas. Técnicas: - Reducción química: Comúnmente utilizada, a veces con agentes estabilizadores. - Métodos biológicos: Involucran biomoléculas que se combinan con sustancias metálicas para producir materiales a nanoescala. 38 MÉTODOS FÍSICOS Los métodos físicos de síntesis de nanopartículas aprovechan la energía o las fuerzas mecánicas para producir materiales nanoestructurados. Estos métodos suelen implicar procesos de alta temperatura, bombardeo de iones o fuerzas mecánicas. Características: - Eliminación de la contaminación por solventes - Consume una gran cantidad de energía debido a la condensación y evaporación de partículas - Las altas temperaturas y modulación de presión prolongan el tiempo de fabricación y costes MOLIENDA MECÁNICA DE ALTA ENERGÍA (HIGH – ENERGYBALL MILLING) PRINCIPIO DEL MÉTODO Utiliza fuerzas mecánicas intensas para reducir el tamaño de partículas hasta la escala nanométrica. Este proceso implica la colisión de bolas de alta energía con el material en un molino TIPOS DE NANOPARTÍCULAS Este método es versátil y permite la síntesis de una amplia gama de metales, aleaciones, óxidos metálicos y compuestos cerámicos. Es particularmente eficaz para la producción de nanopartículas magnéticas como Fe3O4 y γ Fe2O3. APLICACIONES BIOMÉDICAS Las nanopartículas magnéticas producidas por molienda son ampliamente utilizadas en imagen por resonancia magnética (MRI) como agentes de contraste, en hipertermia magnética para tratamiento del cáncer, y en sistemas de separación magnética de células y biomoléculas. Ventaja: proceso en seco, que evita el uso de solventes, y aumenta pureza y biocompatibilidad EVAPORACIÓN TÉRMICA (TIPO DE PVD) PROCESO Utiliza altas temperaturas para vaporizar el material precursor, que se condensa en forma de nanopartículas. Este proceso se realiza en cámaras de vacío para evitar la contaminación y controlar el tamaño y la forma de las NPs resultantes. TIPOS DE NPS Este método es especialmente útil para la síntesis de nanopartículas metálicas como oro (Au), plata (Ag) y óxidos metálicos como óxido de zinc (ZnO) y dióxido de titanio (TiO2). Las NPs producidas suelen tener un alto grado de pureza y una distribución de tamaño controlada. APLICACIONES BIOMÉDICAS Las Nps de oro y plata son utilizadas en terapia fototérmica contra el cáncer y como agentes antimicrobianos, respectivamente, además de en diagnóstico por imagen y carriers de fármacos. 39 PULVERIZACIÓN CATÓDICA (SPUTTERING) Este método es ideal para la síntesis de nanopartículas metálicas puras y aleaciones con propiedades magnéticas, como las de hierro (Fe) o cobalto (Co). En biomedicina, estas NPs se utilizan para hipertermia magnética en tratamiento del cáncer y como agentes de contraste en imagen por resonancia magnética (MRI). FORMACIÓN El proceso comienza con la vaporización del material precursor mediante métodos como la ablación láser o la descarga de arco eléctrico. Los átomos o moléculas vaporizado CRECIMIENTO Y CONDENSACIÓN Los clusters atómicos crecen por colisiones en una atmósfera inerte. El control de parámetros como la temperatura y la presión permite ajustar el tamaño final de las nanopartículas. RECOLECCIÓN Las nanopartículas formadas se recolectan en sustratos fríos o se dispersan en líquidos para su estabilización y posterior uso en aplicaciones biomédicas. Ejemplo: regulan el tamaño de nanopartículas con la presion que ejerce el argón →el análisis electroquímico reveló que el aumento del tamaño de las nanopartículas con la presión de argón reduce su área superficial electroquímica. IMPLANTACIÓN DE IONES PROCESO DE IMPLANTACIÓN La implantación de iones es un método físico que involucra la aceleración de iones a alta energía y su introducción en un material sólido. Este proceso permite la formación controlada de nanopartículas dentro de una matriz sólida. TIPOS DE NANOPARTÍCULAS Este método es particularmente eficaz para la síntesis de nanopartículas metálicas y semiconductoras, como plata (Ag), oro (Au), y silicio (Si), embebidas en matrices de vidrio o polímeros. APLICACIONES EN BIOMEDICINA Las nanopartículas producidas por implantación de iones tienen aplicaciones únicas en biomedicina, como la creación de superficies antibacterianas en implantes médicos y el desarrollo de biosensores altamente sensibles para la detección de biomoléculas. La ventaja clave de este método es la capacidad de controlar con precisión la profundidad y concentración de las nanopartículas en el material huésped, lo que es crucial para aplicaciones biomédicas que requieren una distribución específica de NPs en sustratos sólidos. 40 MÉTODOS QUÍMICOS Estos métodos se basan en reacciones químicas controladas para producir nanopartículas. Características: Uso de agentes reductores y protectores para obtener NP puras y estables y evitar la aglomeración. Consumo elevado de productos químicos, lo que puede contaminar las NP sintetizadas. Respuesta rápida y más rentable en comparación con los métodos físicos. Dificultad para controlar con precisión el tamaño y forma de las NP sin agentes reductores y estabilizadores. MÉTODO COLOIDAL PRINCIPIO DEL MÉTODO El método coloidal implica la formación de nanopartículas en una solución líquida mediante la reducción de iones metálicos. Este proceso se realiza en presencia de agentes estabilizantes que controlan el crecimiento y evitan la aglomeración de las nanopartículas. TIPOS DE NANOPARTÍCULAS Este método es ideal para la síntesis de nanopartículas metálicas como oro (Au), plata (Ag), y platino (Pt), así como para quantum dots semiconductores como CdSe y ZnS. CONTROL DE TAMAÑO Y FORMA La variación de parámetros como la concentración de precursores, tipo de agente reductor y estabilizantes permite un control preciso sobre el tamaño y la forma de las nanopartículas resultantes. APLICACIONES BIOMÉDICAS Las nanopartículas coloidales tienen numerosas aplicaciones en biomedicina, incluyendo biosensores ultrasensibles, agentes de contraste para imagen médica, y vehículos para la liberación dirigida de fármacos. 41 REDUCCIÓN FOTOQUÍMICA Y RADOLÍTICA PRINCIPIO DEL MÉTODO La reducción fotoquímica y radiolítica utiliza luz o radiación ionizante para generar especies reductoras que inician la formación de nanopartículas a partir de precursores iónicos en solución. Tiene un control preciso TIPOS DE NANOPARTÍCULAS Este método es particularmente eficaz para la síntesis de nanopartículas metálicas nobles como oro (Au), plata (Ag) y platino (Pt), así como para la producción de nanopartículas bimetálicas y de óxidos metálicos con propiedades ópticas y catalíticas únicas. APLICACIONES BIOMÉDICAS Las nanopartículas sintetizadas por estos métodos se utilizan en terapia fototérmica contra el cáncer, como agentes antimicrobianos en vendajes y dispositivos médicos, y como biosensores ópticos para la detección de biomoléculas y patógenos. La ventaja clave de estos métodos es la capacidad de producir nanopartículas de alta pureza sin la necesidad de agentes reductores químicos, lo que es crucial para aplicaciones biomédicas que requieren biocompatibilidad y baja toxicidad. SÍNTESIS SOLVOTERMAL PRINCIPIO DEL MÉTODO La síntesis solvotermal utiliza solventes a alta temperatura y presión para disolver y recristalizar materiales que son relativamente insolubles en condiciones normales. Este método se realiza en autoclaves sellados, permitiendo temperaturas por encima del punto de ebullición del solvente. TIPOS DE NANOPARTÍCULAS Este método es especialmente eficaz para la síntesis de nanopartículas de óxidos metálicos complejos y materiales híbridos orgánico-inorgánicos. Es particularmente útil para la producción de nanopartículas con morfologías controladas y alta cristalinidad. APLICACIONES BIOMÉDICAS Las nanopartículas sintetizadas solvotermalmente encuentran aplicaciones en la liberación controlada de fármacos, como agentes de contraste en imagen médica, y en la fabricación de scaffolds para ingeniería de tejidos. La síntesis solvotermal permite un control preciso sobre el tamaño, la forma y la composición de las nanopartículas, lo que es crucial para optimizar sus propiedades para aplicaciones biomédicas específicas. 42 MÉTODO SOL-GEL El método sol-gel es ideal para la síntesis de nanopartículas de óxidos metálicos como SiO2, TiO2, y ZrO2. En biomedicina, estas nanopartículas se utilizan en sistemas de liberación controlada de fármacos, como recubrimientos bioactivos para implantes, y en la fabricación de biosensores avanzados (gracias a sus características de conductividad al ser óxidos). 1. FORMACIÓN DEL SOL - El proceso comienza con la preparación de una solución coloidal (sol) de precursores metálicos, generalmente alcóxidos, en un solvente adecuado. 2. GELIFICACIÓN - La hidrólisis y condensación de los precursores conducen a la formación de una red tridimensional de óxidos metálicos, resultando en un gel. 3. ENVEJECIMIENTO Y SECADO- El gel se envejece y se seca para eliminar el solvente, lo que puede realizarse a temperatura ambiente o mediante procesos de secado supercrítico. 4. TRATAMIENTO TÉRMICO - Un tratamiento térmico final puede aplicarse para obtener nanopartículas cristalinas con propiedades específicas. DEPÓSITO QUÍMICO EN FASE VAPOR (CVD) El CVD es excelente para la síntesis de nanopartículas de óxidos metálicos como TiO2 y ZnO, así como para nanotubos de carbono. En biomedicina, estas NPs se utilizan en sistemas de liberación controlada de fármacos, ingeniería de tejidos y como agentes fotocatalíticos para terapia fotodinámica en tratamientos contra el cáncer. 1. VAPORIZACIÓN DEL PRECURSOR - El proceso CVD comienza con la vaporización de un precursor químico, generalmente un compuesto organometálico, que contiene los elementos deseados para formar las nanopartículas. 2. TRANSPORTE Y REACCIÓN - El vapor del precursor es transportado a una cámara de reacción donde se descompone térmicamente o reacciona químicamente en la superficie de un sustrato calentado. 3. NUCLEACIÓN Y CRECIMIENTO - Las especies reactivas forman núcleos que crecen para convertirse en nanopartículas. El control preciso de las condiciones de reacción permite ajustar el tamaño y la morfologíade las NPs. 43  TEMA 7: SÍNTESIS DE NANOPARTÍCULAS – SINTESIS BIOLÓGICA SÍNTESIS BIOLÓGICA La síntesis biológica de nanopartículas se presenta como una alternativa innovadora y sostenible a los métodos tradicionales. Al emplear organismos vivos o sus componentes, reduce el impacto ambiental y la toxicidad asociados a la síntesis química, al tiempo que ofrece nuevas posibilidades en la creación de nanopartículas con propiedades específicas para aplicaciones biomédicas. APLICACIONES Theranostics Biosensores Anti-cancer Biorremediación Antimicrobiano Nanofetilizantes Biocatalisis Cosméticos Energía renovado Target drug delivery Actividad enzimática Nanoláminas PRINCIPIO DE QUÍMICA VERDE Y ESTRATEGÍA EN NANOTECNOLOGÍA 1 Prevenir residuos- desarrollar síntesis más "verdes" que minimicen o eliminen residuos. Fabricar productos y químicos más seguros - producir nanomateriales con propiedades 2 deseadas y baja toxicidad. 3 Diseñar síntesis químicas menos peligrosas - desarrollar síntesis con reactivos y solventes benignos que generen sustancias no tóxicas. 4 Usar materias primas renovables -utilizar materiales y materias primas renovables e inofensivas. 5 Usar catalizadores - minimizar residuos mediante nanocatalizadores verdes que mejoren la selectividad y eficiencia. 6 Evitar derivados químicos - evitar modificaciones temporales y utilizar síntesis selectivas sin solventes intensivos. 7 Maximizar la economía atómica - desarrollar síntesis que maximicen la utilización de los materiales de partida. S Usar solventes y condiciones de reacción más seguras - evitar solventes peligrosos y usar enfoques "bottom up" para mejorar la eficiencia. 9 Aumentar la eficiencia energética - realizar síntesis a temperatura y presión ambiente siempre que sea posible. 10 Diseñar productos para que se degraden tras su uso - estudiar el comportamiento de los nanomateriales en el ambiente y diseñarlos para degradarse. Il Monitoreo en tiempo real para prevenir la contaminación - usar monitoreo en tiempo real para optimizar procesos y desarrollar Evaluaciones del Ciclo de Vida (LCA). 12 Minimizar el potencial de accidentes - producir materiales químicos que reduzcan los riesgos de explosiones, incendios o liberaciones. 44 FUENTES BIOLÓGICAS PLANTAS Se utilizan diferentes partes de plantas como hojas, raíces, puntas, frutas y vegetales. Estas partes proporcionan componentes como carbohidratos, proteínas, vitaminas y ácidos orgánicos, los cuales actúan como agentes reductores. MICROORGANISMOS Incluyen bacterias, hongos, levaduras, algas y actinomicetos. Estos producen enzimas, proteínas y metabolitos que también pueden reducir sales metálicas para formar nanopartículas. FORMACIÓN DE NANOPARTÍCULAS El proceso biológico da lugar a nanopartículas con diferentes formas como: esféricas, triangulares, cuadradas y en forma de varilla. PROCESO DE SÍNTESIS Se combinan extractos biológicos (de plantas o microorganismos) con sales metálicas, donde los componentes biológicos actúan como agentes estabilizadores y reductores, facilitando la transformación de los metales en nanopartículas. Estos componentes interactúan para formar nanopartículas biogénicas mediante la reducción de las sales. REDUCCIÓN ENZIMÁTICA Las enzimas como las reductasas y las oxidasas catalizan reacciones redox, donde los iones metálicos se reducen mediante la transferencia de electrones, lo que lleva a la formación de nanopartículas metálicas. BIOMINERALIZACIÓN En este proceso, los organismos vivos utilizan mecanismos bioquímicos para controlar la formación de nanopartículas minerales, como los óxidos de hierro y el carbonato de calcio. La biomineralización implica la participación de proteínas, polisacáridos y otros biomoléculas que actúan como matrices para la nucleación y el crecimiento de nanopartículas. SÍNTESIS EXTRACELULAR Algunos organismos vivos producen nanopartículas fuera de sus células, mediante procesos que implican la liberación de enzimas y metabolitos al medio ambiente. Estas enzimas y metabolitos interactúan con los precursores metálicos para formar nanopartículas en el espacio extracelular. Este enfoque "verde" ofrece una alternativa sostenible y biocompatible a los métodos tradicionales de síntesis de nanopartículas 45 TIPOS DE SINTESIS BIOLÓGICA USO DE PLANTAS - Extractos de plantas ricas en metabolitos secundarios actúan como agentes reductores y estabilizantes en la síntesis de nanopartículas. USO DE MICROORGANISMOS - Bacterias, hongos y algas pueden acumular y biotransformar iones metálicos, generando nanopartículas intra o extracelularmente. USO DE ENZIMAS - Enzimas purificadas se utilizan para catalizar la formación de nanopartículas con un control preciso sobre el tamaño y la forma. SÍNTESIS CON PLANTAS La fito-síntesis de nanopartículas utiliza los metabolitos secundarios de las plantas, como flavonoides y terpenoides, que actúan como agentes reductores y estabilizantes, facilitando la formación de nanopartículas a partir de iones metálicos. Este método es simple, de bajo costo y eco-amigable, al aprovechar recursos renovables y reducir residuos tóxicos. El proceso implica extraer compuestos bioactivos de las plantas, que transforman los iones metálicos en nanopartículas, estabilizándolas para evitar su aglomeración, lo que permite obtener nanopartículas con propiedades controladas para aplicaciones en nanomedicina, electrónica y catálisis. SÍNTESIS CON BACTERIAS Las bacterias, gracias a su metabolismo versátil, pueden generar nanopartículas intra o extracelularmente mediante la biomineralización de iones metálicos. Este proceso bioquímico involucra enzimas que reducen los iones metálicos, permitiendo la formación y estabilización de nanopartículas con tamaños y formas controladas. Ejemplos de bacterias utilizadas incluyen Bacillus, Pseudomonas y Escherichia coli. Además, la ingeniería genética permite modificar bacterias para optimizar la producción de nanopartículas con propiedades específicas, convirtiéndolas en biofactorías programables con aplicaciones en nanomedicina, catálisis y electrónica. Artículo: La cepa Bacillus methylotrophicus DC3, aislada del suelo de ginseng coreano, sintetiza eficientemente nanopartículas de plata (AgNPs) de 10 a 30 nm con actividad antimicrobiana notable contra patógenos como Candida albicans. Este método de síntesis se presenta como simple, eficiente y ecológico, destacando su potencial en aplicaciones biotecnológicas. 46 SÍNTESIS CON HONGOS Los hongos tienen la capacidad de biotransformar iones metálicos, utilizando su crecimiento micelial (son las raíces de los hongos) como andamiaje tridimensional para la nucleación y el control del crecimiento de nanopartículas. Esto se logra mediante enzimas fúngicas que reducen los iones metálicos y promueven la formación y crecimiento de nanopartículas. Además, la biomasa fúngica actúa como estabilizador, evitando la aglomeración y favoreciendo la formación de estructuras uniformes. Artículo: Síntesis rápida y ecológica de nanopartículas de plata SÍNTESIS CON ALGAS: NANOTECNOLOGÍA AZUL Las algas tienen gran capacidad para biotransformar iones metálicos y sintetizar nanopartículas. Su estructura celular y los metabolitos producidos durante la fotosíntesis proporcionan un entorno favorable para la nucleación y el crecimiento de nanopartículas. Las algas también contienen enzimas que catalizan la reducción de iones metálicos, facilitando la formación de nanopartículas de manera controlada. Además, su biomasa actúa como agente estabilizador, previniendo la aglomeración y promoviendo la producción de nanopartículas con tamaños y formas uniformes, ofreciendo una plataforma sostenible para la síntesis de nanomateriales. Artículo: La síntesis verde de nanopartículas (NPs) utilizando microalgas y cianobacterias ofrece una alternativa ecológica, rentable y eficiente en energía frente a los métodos tradicionales, que producen subproductos tóxicos. La síntesis de NPs a partir de algas para el tratamiento de aguas residuales, enfatizando su potencial en la eliminación de contaminantes tóxicos debido a su alta tasa de crecimiento y capacidad para secuestrar metales pesados. CONTROL DE TAMAÑO Y FORMA EN LA SÍNTESIS BIOLÓGICA Ajustar parámetros como la concentración de precursores metálicos, el pH del medio, la temperatura y el tiempo de reacción permite modular el tamaño y la forma de las nanopartículas. VENTAJAS DE LA SÍNTESIS BIOLÓGICA ECO-AMIGABLE - Reduce el impacto ambiental al utilizar recursos renovables y minimizar la generación de residuos tóxicos. BIOCOMPATIBLE - Las nanopartículas biosintetizadas suelen ser menos tóxicas y más compatibles con sistemas biológicos. ECONÓMICO - Utiliza condiciones de reacción suaves (temperatura y presión ambiente), reduciendo los costes energéticos. 47 DESAFÍOS DE LA SÍNTESIS BIOLÓGICA ESCALABILIDAD - La producción a gran escala de nanopartículas mediante métodos biológicos presenta desafíos técnicos. REPRODUCIBILIDAD - La variabilidad inherente a los sistemas biológicos puede afectar la reproducibilidad de los resultados. CONTROL PRECISO - Lograr un control preciso sobre el tamaño, la forma y la composición de las nanopartículas puede ser más complejo que con métodos tradicionales. RESUMEN MÉTODOS DE SÍNTESIS 48 TEMA 8: FUNCIONALIZACIÓN DE NANOMATERIALES FUNCIONALIZACIÓN DE NANOMATERIALES EN BIOMEDICINA La funcionalización de nanomateriales como nanomembranas (NMs) y nanopartículas (NPs) ha revolucionado el campo de la biomedicina en las últimas décadas. Este proceso implica la modificación de las propiedades superficiales de estos nanomateriales para dotarlos de nuevas funciones y mejorar su biocompatibilidad, especificidad y eficacia en diversas aplicaciones biomédicas. El método de síntesis de nanopartículas (NPs) juega un papel crucial en la definición de sus características físicas, químicas y biológicas, ya que influye en aspectos como el tamaño, la forma, la estructura superficial, la composición química y las propiedades ópticas y magnéticas de las NPs. BENEFICIOS DERIVADOS DE LA FUNCIONALIZACIÓN DE NANOPARTÍCULAS Modificación de las propiedades superficiales de las NPs, haciéndolas más biocompatibles y mejorando su interacción con las células y tejidos. Introducción de nuevos grupos funcionales, como moléculas pequeñas, biomoléculas o polímeros, que confieren nuevas características a las NPs, como capacidad de direccionamiento, detección o liberación controlada de fármacos. Mayor especificidad y eficacia en la aplicación biomédica, permitiendo interacciones más específicas con el objetivo deseado. Desarrollo de NPs con propiedades mejoradas, como estabilidad en el entorno biológico, biodistribución específica y tiempo de retención en el organismo. FUNCIONALIZACIÓN DIRECTA E INDIRECTA La funcionalización directa implica la modificación de la superficie del nanomaterial mediante la unión de moléculas o grupos funcionales específicos directamente a la superficie. Esto se puede lograr mediante reacciones químicas como la adición, condensación o polimerización. La funcionalización indirecta, por otro lado, se basa en la modificación de la superficie mediante la formación de una capa intermedia o recubrimiento que luego se funcionaliza con las moléculas deseadas. Este enfoque es útil para modificar superficies que son difíciles de funcionalizar directamente. 49 FUNCIONALIZACIÓN INDIRECTA: INJERTO (GRAFTING) El injerto es un método de funcionalización indirecta que implica la unión de moléculas o grupos funcionales a una capa intermedia o recubrimiento preexistente en la superficie del nanomaterial. Esta capa intermedia puede ser un polímero, un material inorgánico o incluso una capa de autoensamblaje, y se aplica primero a la superficie del nanomaterial. Se utiliza para materiales a los que no es posible unir directamente la funcionalización. Un ejemplo de injerto es el uso de PGA (ácido poliglicólico) como capa intermedia. El PGA es un polímero biodegradable y biocompatible que se utiliza ampliamente en aplicaciones biomédicas ↓ +- TIPOS DE FUNCIONALIZACIÓN La funcionalización de nanomateriales puede clasificarse en dos grandes categorías: funcionalización química y funcionalización física. La funcionalización química implica la modificación de la superficie del nanomaterial mediante enlaces covalentes o no covalentes, mientras que la funcionalización física se basa en cambios en la morfología o estructura del nanomaterial sin alterar su composición química. Dentro de estas categorías, existen diversos métodos específicos de funcionalización, cada uno con sus propias ventajas y aplicaciones. FUNCIONALIZACIÓN QUÍMICA - Modificación covalente - Adsorción no covalente - Conjugación con biomoléculas FUNCIONALIZACIÓN FÍSICA - Recubrimientos - Encapsulación - Modificación estructural 50 MÉTODOS DE FUNCIONALIZACIÓN DE SUPERFICIES MÁS UTILIZADOS Química: Hidrólisis alcalina, aminólisis, injerto químico. Fotoquímica: Fotoinjerto, polimerización inducida por luz. Enzimática: Activación enzimática de superficies. Tratamiento con Plasma: Mejora de la hidrofilicidad y afinidad celular. Laminación: Creación de recubrimientos multicapa. FUNCIONALIZACIÓN QUÍMICA: CONJUGACIÓN CON BIOMOLÉCULAS La conjugación con biomoléculas es un tipo específico de funcionalización química que implica la unión de moléculas biológicas como proteínas, anticuerpos, ácidos nucleicos o carbohidratos a la superficie de nanomateriales. Este proceso es fundamental para dotar a los nanomateriales de funciones biológicas específicas y mejorar su interacción con sistemas biológicos. En biomedicina, la conjugación con biomoléculas se utiliza para crear nanoplataformas multifuncionales capaces de realizar tareas complejas como el reconocimiento molecular específico, la señalización celular o la activación de respuestas inmunes. Según la función que le queremos añadir se funcionaliza con una molécula u otra: Proteínas - Aportan funciones catalíticas y de reconocimiento molecular. Anticuerpos - Permiten el direccionamiento específico a células o tejidos diana (pj: resonancia dirigida a tumores específicos). Ácidos Nucleicos - Facilitan la terapia génica y el silenciamiento de genes. Carbohidratos - Mejoran la biocompatibilida d y el reconocimiento celular. Existen varios métodos para llevar a cabo la conjugación de biomoléculas a las NPs: Conjugación covalente: Se forman enlaces covalentes entre la NP y la biomolécula, lo que resulta en una unión más estable. Esto puede realizarse utilizando grupos funcionales reactivos en la superficie de las NPs y en las biomoléculas. Interacciones no covalentes: Se basa en fuerzas electrostáticas, interacciones hidrofóbicas o enlaces de hidrógeno. Aunque menos estables que los enlaces covalentes, estos métodos pueden ser útiles para aplicaciones donde la liberación de la biomolécula sea deseada. Ensamblaje por autoensamblaje: Algunas biomoléculas pueden autoensamblarse en la superficie de las NPs mediante interacciones específicas, como las que ocurren entre anticuerpos y antígenos. 51 1. FUNCIONALIZACIÓN QUÍMICA: MODIFICACIÓN COVALENTE La modificación covalente es uno de los métodos más utilizados para la funcionalización. Este proceso implica la formación de enlaces covalentes entre grupos funcionales en la superficie del nanomaterial y las moléculas o ligandos que se desean incorporar. La ventaja principal de este método es la estabilidad y durabilidad de la funcionalización resultante. La modificación covalente se utiliza frecuentemente para unir biomoléculas como proteínas, anticuerpos o fármacos a la superficie de NMs y NPs. 1. Activación de la Superficie - Se introducen grupos funcionales reactivos en la superficie del nanomaterial. 2. Acoplamiento Químico - Se forman enlaces covalentes entre los grupos funcionales y las moléculas de interés. 3. Purificación - Se eliminan los reactivos y se obtiene el nanomaterial funcionalizado. Para funcionalizar nanopartículas de óxido de zinc (ZnO) con moléculas de cúrcuma, se pueden utilizar reactivos que introducen grupos funcionales reactivos en la superficie de las ZnONPs, como el ácido mercaptopropiónico. Luego, la cúrcuma se puede acoplar covalentemente a las ZnONPs a través de una reacción de acoplamiento, formando un enlace estable entre las ZnONPs y la curcuma. EJERCICIO ¿Qué es “click chemistry” y por qué es importante en la modificación de superficies de nanopartículas? Es una reacción química diseñada para unir moléculas de manera rápida, eficiente y específica, como si fueran "piezas de Lego", sin requerir calor extremo o presiones altas. Te permite ensamblar moléculas de forma sencilla sin producir ningún subproducto. Se usa un grupo acido, un grupo alcalino y cobre. La click chemistry es especialmente útil en la modificación de superficies de nanopartículas porque permite agregar diferentes tipos de moléculas a estas partículas de manera controlada y precisa. ¿Qué nuevas aplicaciones o mejoras en la nanomedicina podrían surgir gracias a click chemistry? Funcionalizar NPs de oxido: con una molécula que pueda servir como marcador y a la vez mantener propiedades superparamagneticas. Pero de manera sencilla sin someterlos a condiciones extremas (temperatura y presión altas). Biosensores: permite unir ac o ag de forma muy sencilla Entrega dirigida y liberación controlada de fármacos: Las nanopartículas pueden dirigirse de manera más específica a ciertos tipos de células, como células cancerígenas, lo que ayuda a reducir efectos secundarios. El medicamento es liberado solo cuando llega a un entorno específico o cuando se aplica un estímulo externo, como la luz o cambios de pH. 52 2. FUNCIONALIZACIÓN QUÍMICA: ADSORCIÓN NO COVALENTE La adsorción no covalente es otro método importante de funcionalización química que se basa en interacciones débiles como fuerzas de Van der Waals, interacciones electrostáticas o enlaces de hidrógeno. VENTAJAS - Preservación de la estructura de biomoléculas - Proceso reversible - Condiciones de reacción suaves DESVENTAJAS - Menor estabilidad que los enlaces covalentes - Posible desorción en condiciones fisiológicas - Menor control sobre la orientación molecular APLICACIONES - Carga de fármacos - Recubrimientos biocompatibles - Inmovilización de enzimas La albúmina sérica es una proteína abundante en el plasma sanguíneo y tiene una alta afinidad por las superficies de las nanopartículas. La adsorción de albúmina sérica en la superficie de nanopartículas puede mejorar su biocompatibilidad y tiempo de circulación en el torrente sanguíneo. Además, puede formar una capa protectora alrededor de las nanopartículas, previniendo su aglomeración y mejorando su estabilidad en el torrente sanguíneo. 3. ENSAMBLAJE POR AUTOENSAMBLAJE El autoensamblaje es un proceso espontáneo en el que las moléculas se organizan en estructuras ordenadas. Las moléculas se ensamblan de forma espontánea en la superficie de la nanopartícula y crean una capa funcional. Las moléculas pueden ser moléculas orgánicas, polímeros o proteínas, y la autoensamblaje puede ocurrir a través de diferentes interacciones, incluyendo enlaces de hidrógeno, interacciones electrostáticas y fuerzas de Van der Waals. 53 FUNCIONALIZACIÓN FÍSICA 1. RECUBRIMIENTOS Los recubrimientos son una forma de funcionalización física que implica la deposición de una capa de material sobre la superficie de nanoestructuras. Este método per