Nanomedicina. De suturar a soldar heridas.

Hace más de 5.000 años a la humanidad se le ocurrió la idea de suturar una herida con aguja e hilo. Desde entonces, este principio quirúrgico no ha cambiado mucho: dependiendo de la expertiz de la persona que realiza la operación y del equipo, los cortes o desgarros en el tejido se pueden unir de manera más o menos perfecta. Una vez que ambos lados de una herida están perfectamente unidos entre sí, el cuerpo puede comenzar a cerrar la brecha de tejido de forma permanente y natural. Sin embargo, la sutura no siempre logra lo que se supone que debe lograr. En tejidos muy blandos, el hilo puede atravesarlo y provocar lesiones adicionales y si el cierre de la herida no sella los órganos internos, las suturas permeables pueden suponer un problema potencialmente mortal. 

Investigadores del Laboratorio Federal Suizo de Ciencia y Tecnología de Materiales (EMPA) y del Instituto Federal Suizo (ETH) han encontrado una manera de soldar heridas utilizando láser. El método denominado "iSoldering" (soldadura inteligente), con solicitud previa de patente, se publicó en la revista Small Methods. Soldar normalmente implica unir materiales mediante calor y un agente adhesivo de fusión. El hecho de que esta reacción térmica deba permanecer dentro de límites estrechos de temperatura en los materiales biológicos y al mismo tiempo la temperatura sea difícil de medir de forma no invasiva, ha sido un problema para la aplicación de procesos de soldadura en medicina. No obstante los investigadores superaron el problema desarrollando un agente aglutinante con nanopartículas para calentar y para controlar por nanotermometría la temperatura.

Mediante impresora 3D realizan la pasta de unión que contiene 25% de albúmina, 6,5% de gelatina (aporta colágeno) y dos tipos de nanopartículas, plasmones de resonancia superficial localizada y puntos cuánticos. Mientras la pasta se irradia con láser, los plasmones de resonancia superficial localizada convierten la luz en calor. Las nanopartículas de puntos cuánticos por otro lado, actúan como pequeños nanotermómetros. La radiación no adsorbida por la resonancia de los plasmones incide en los puntos cuánticos quienes emiten fluorescencia de una longitud de onda específica en función de la temperatura, lo que permite su medición y regulación de forma extremadamente precisa y en tiempo real.

Crédito: Nanothermometry-Enabled Intelligent Laser Tissue Soldering. Snall Methods 7(11) Nov. 2023

Para que una soldadura exitosa obtenga un cierre inmediato de la herida y una unión firme es necesario que la soldadura alcance la temperatura de desnaturalización del colágeno, que puede variar de 60 a 80 °C para los tejidos humanos. El control de dosimetría de la irradiación láser y el correspondiente aumento de temperatura es crucial para controlar el riesgo de daño tisular irreversible.

Los investigadores, junto con cirujanos del Hospital Universitario de Zúrich, la Clínica Cleveland (EE.UU.) y la Universidad Carolina (República Checa) realizaron pruebas de laboratorio con diversas muestras de heridas en órganos como el páncreas o el hígado logrando una unión rápida, estable y biocompatible con los tejidos. También fue igualmente exitoso el sellado con iSoldering de partes de tejidos particularmente difíciles, como la uretra, las trompas de Falopio y el intestino.

El otorgamiento de la patente será el paso inicial para avanzar en pruebas clínicas y luego destronar más de 5000 años de reinado de la sutura heridas con aguja e hilo.

Lectura complementaria:

Nanothermometry-Enabled IntelligentLaser TissueSoldering.

Fonones, puntos cuánticos y transporte térmico

El mapeo vibracional de nanoestructuras es indispensable para el desarrollo y la comprensión de los nanodispositivos térmicos, la modulación del transporte térmico y los nuevos materiales termoeléctricos nanoestructurados. A escala atómica, el calor se transporta en los materiales sólidos como una ola de átomos desplazados de su posición de equilibrio. En los cristales, con una estructura atómica ordenada, estas ondas se denominan fonones: paquetes de ondas de desplazamientos atómicos que transportan energía térmica. En el reciente artículo Nanoscale imaging of phonon dynamics by electron microscopy (Nature), utilizando microscopios electrónicos y técnicas novedosas, un equipo de investigadores de la Universidad de California en Irvine, el Instituto Tecnológico de Massachusetts y otras instituciones, ha encontrado una manera de mapear fonones (vibraciones en redes cristalinas) a nivel de resolución atómica, para una comprensión más profunda de la forma en que el calor viaja a través de puntos cuánticos (nanopartículas de semiconductores generalmente con diámetros menores a 10 nm con capacidad de emitir radiación fluorescente cuando son iluminados).

Crédito: Chaitanya Gadre, Xingxu Yan, Xiaoqing Pan / UCI

Los investigadores probaron el comportamiento dinámico de los fonones cerca de un solo punto cuántico de silicio-germa-nio usando espectroscopía de pérdida de energía de electrones vibratorios en un microscopio electrónico de transmisión. Descubrieron que la aleación de SiGe presentaba una estructura desordenada en su composición impidiendo la propagación eficiente de los fonones. Al estar los átomos de silicio más juntos con relación a los átomos de germanio en sus respectivas estructuras puras, la aleación estira un poco los átomos de silicio originando una tensión que suaviza los fonones en el punto cuántico. Los fonones suavizados tienen menos energía, cada fo-nón, como resultado, transporta menos calor originando una menor conductividad térmica. Un campo probable benefi-ciario de esta investigación es la termoeléctrica: sistemas de materiales capaces de convertir el calor en electricidad. Los desarrolladores de tecnologías termoeléctricas se esfuerzan por diseñar materiales tanto que impidan el transporte térmico como que promuevan el flujo de cargas. Para ello necesitan el conocimiento a nivel atómico de cómo se transmite el calor a través de sólidos conteniendo fallas, defectos e imperfecciones. Más del 70 por ciento de la energía producida por las actividades humanas es calor, por lo que es imperativo encontrar una manera de reciclarlo en una forma utilizable, preferiblemente electricidad para alimentar las crecientes demandas de energía de la humanidad.

Información complementaria:

Nanoscale imaging of phonon dynamics by electron microscopy

Administración de fármacos con nanocristales MOF*Ab

Las estructuras metal-orgánica (MOF/Metal–organic frameworks) son una clase de compuestos que consisten en iones o grupos metálicos coordinados con ligandos orgánicos para formar estructuras unidimensionales, bidimensionales o tridimensionales. Investigadores australianos, en el artículo Self-Assembly of Oriented Antibody-Decorated Metal-Organic Framework Nanocrystals for Active Targeting Applications, publicado en la revista Advanced Materials, presentan estructuras MOF de Zn-imidazol capaces de unirse a anticuerpos (Ab) y luego estos a potentes fármacos y/o agentes de imágenes (puntos cuánticos) para buscar células enfermas con mayor precisión disminuyendo los efectos adversos en el paciente. 

Crédito: Francesco Carraro y Paolo Falcaro.  Universidad Tecnológica de Graz. Austria.

Es el primer sistema de administración de anticuerpos y fármacos de estructura metal-orgánica con potencial de acelerar-rastrear nuevas y potentes terapias para el cáncer, enfermedades cardiovasculares y autoimunes. La novedosa síntesis de nanocristales MOF monoclonales orientados y “decorados” con anticuerpos (Ab) se realiza en un solo paso. La cristalización  ocurre a partir de una solución de Zn²⁺ y 2-metilimidazol y el MOF es activado por la región cristalizable del fragmento (Fc) del Ab. El crecimiento selectivo produce biocompuestos con Abs orientados en los nanocristales MOF*Ab: las regiones Fc se insertan parcialmente dentro de la superficie del MOF y las regiones de unión al anticuerpo sobresalen de ella hacia el objetivo. La configuración ordenada imparte propiedades de reconocimiento de antígeno-anticuerpo al biocompuesto. También se probó su rendimiento como biosensor cargando MOF*Ab con puntos cuánticos luminiscentes. Se sabe que solo el 0.01 por ciento de la quimioterapia actualmente llega al tejido canceroso; el nuevo método puede aumentar la cantidad de droga que impacta en su objetivo disminuyendo los efectos secundarios y los costos del tratamiento. Con más de 80 anticuerpos monoclonales diferentes aprobados para uso clínico, el presente enfoque tiene un enorme potencial de mejorar su administración y eficiencia controlando el direccionamiento con precisión. .

Lectura complementaria: Self-Assembly of Oriented Antibody-Decorated Metal-Organic Framework Nanocrystals for Active Targeting Applications

Detectar infecciones con puntos cuánticos y smartphones.

En el artículo Smartphone detection of antibiotic resistance using convective PCR and a lateral flow assay,  publicado en la revista Sensors and Actuators, científicos australianos desarrollan una forma económica y rápida para identificar el Staphylococcus aureus, una bacteria que causa afecciones graves y a veces fatales, como neumonía e infecciones de las válvulas cardíacas. Es particular preocupación una cepa que no responde al antibiótico de primer recurso provocando sepsis y muerte.  La cepa se denomina  Staphylococcus aureus resistente a la meticilina (MRSA). Una combinación de nanotecnología de puntos cuánticos estándar y una cámara de teléfono inteligente pronto podrá permitir a los médicos identificar bacterias resistentes a los antibióticos en solo 40 minutos, lo que podría salvar la vida de muchos pacientes. Informes recientes estiman 700.000 muertes en todo el mundo debido a la resistencia a los antibióticos. 

Crédito: Sunna Lab.

La identificación rápida de MRSA es esencial para un tratamiento efectivo, pero los métodos actuales lo convierten en un proceso desafiante, incluso dentro de hospitales bien equipados. Investigadores de la Universidad Macquarie y la Universidad de Nueva Gales del Sur, ambos en Australia, han ideado un dispositivo que utiliza ADN bacteriano para identificar positivamente la presencia de Staphylococcus aureus en una muestra de paciente para determinar si la infección responderá a los antibióticos de primera línea. El dispositivo consta completamente de piezas listas para usar e impresas en 3D con un costo total de US $ 26. Los resultados pueden ser leídos por una aplicación colocada en un teléfono celular inteligente. La técnica identifica la bacteria al buscar dos genes clave llamados femA y  mecA. Si los genes están presentes, los puntos cuánticos en las tiras reactivas fluorescen, la cámara de un teléfono inteligente registra la fluorescencia a través de un filtro adjunto y una aplicación muestra los resultados.  Primero, el ADN de la muestra debe aislarse y multiplicarse. El equipo abordó esto usando una técnica llamada reacción en cadena de la polimerasa convectiva o cPCR, una nueva versión de la PCR tradicional, que se usa ampliamente, pero es costosa y requiere técnicos capacitados. A continuación el ADN amplificado se somete a un ensayo de flujo lateral. Estas tiras reactivas contienen anticuerpos capaces de capturar las  secuencias de femA y mecA. Los puntos cuánticos en la tira reactiva actúan como etiquetas fluorescentes cuando se capturan las secuencias clave de ADN. Luego se coloca el teléfono en un soporte que incluye un módulo óptico con filtro, luz LED y una ranura para insertar las tiras reactivas. Para leer la muestra el dispositivo ilumina las tiras, si los puntos cuánticos son fluorescentes, la cámara del teléfono lo recoge con la ayuda del filtro y los resultados se muestran en una aplicación. El dispositivo rápido y portátil resulta ideal para ser utilizado en áreas remotas donde no haya hospitales o laboratorios con el equipamiento y técnicos capaces de hacer este tipo de pruebas. En algunos casos, un día o dos es demasiado tiempo para esperar.  Los médicos comenzarán a tratarlo con antibióticos bajo el supuesto de que tiene una infección, pero si proviene de un organismo resistente a los antibióticos no funcionarán y cuando tenga el resultado del laboratorio, 24 horas después, una peligrosa infección en la sangre ya estará avanzando.

Información complementaria:                                                                                                                  Smartphone detection of antibiotic resistance...        

Organismos nano-biohíbridos para fábricas ecológicas.

Investigadores de la Universidad del Colorado Boulder han desarrollado organismos nano-biohíbridos capaces de usar el dióxido de carbono y el nitrógeno del aire en la producción de una importante variedad de sustancias, plásticos y biocombustibles; un paso prometedor hacia el consumo de los citados gases atmosféricos en la fabricación ecológica de productos químicos. El artículo Nanorg microbial factories: Light-driven renewable biochemical synthesis using quantum dot-bacteria nano-biohybrids se publicó el 7 de julio del 2019 en la revista Journal of American Chemical Society.

Crédito: P. Nagpal y colaboradores. J. Am. Chem. Soc.

Los científicos utilizaron puntos cuánticos (semicon- ductores con diámetros entre 2 y 10 nanómetros con capa- cidad para emitir fluorescencia de distintos colores, según su diámetro, al ser iluminados) diseñados para unirse y autoensamblarse a enzimas (sistema dot-bacteria) a las cuales se las puede activar haciendo incidir sobre la bacteria radiación de lon-gitudes de onda específicas. La activación selectiva de enzimas permite crear fábricas vivientes que utilizan como materia prima dióxido de carbono  y lo convierten en productos útiles como plástico biodegradable, nafta y biodiésel o nitrógeno del aire para obtener amoniaco. 

Crédito: Suspensiones de puntos cuánticos-P. Nagpal y col. J.A.C.S.

La técnica permite superar el rendimiento natural de las bacterias (Azotobacter vinelan-dii y Cupriavidus necator) en un 200 por ciento.  Las dife-rentes combinaciones de los siete puntos cuánticos utilizados, enzimas y luz producen distintos productos: longitudes de onda verdes causan que las bacterias consuman nitrógeno y produzcan amoniaco mientras que las longitudes de onda rojas utilizan el  CO₂ para producir plástico. El proceso también muestra signos prometedores para operar a gran escala. Incluso cuando las fábricas microbianas se activan constantemente durante horas muestran pocos signos de agotamiento, lo que indica que las células pueden regenerarse y, por lo tanto, limitar la necesidad de rotación. Lo ideal sería que hogares y empresas familiares canalicen las emisiones de CO₂ directamente a un estanque cercano donde los microbios las convertirían en biocombustibles: isopropanol, 2,3-butanodiol, C11−C15 metil-cetonas  e hidrógeno; químicos simples: ácido fórmico, amoniaco, etileno, propanol y plásticos biodegradables como el polihidroxibutirato (PHB), permitiendo a los propietarios vender el producto resultante con alguna ganancia. Activar enzimas gracias a su unión con distintos puntos cuánticos permite  lograr en forma selectiva productos de interés utilizando como materia prima gases conducentes al evento invernadero.

Información complementaria:

Light-driven renewable biochemical synthesis using quantum dot-bacteria nano-biohybrids

Emisión de biofotones & nanotecnología.

La emisión de biofotones (BPE) es un acontecimiento cuántico caracterizado por una emisión relativamente estable pero ultradébil de fotones por organismos vivos. Los biofotones han sido denominados “la luz de las células”. Son emitidos por los organismos vivos para comunicarse entre sí. El Dr. Fritz-Albert Popp demostró que los biofotones son portadores de información y mensajes capaces de modificar la actividad de la materia. Organismos vivos, incluidas las células, se comunican a través de campos electromagnéticos, emitiendo fotones que son captados por el resto.

Imagen de los biofotones emitidos por la mano derecha.

La región brillante del dedo es producto del efecto del tabaquismo.

Crédito: Spectroscopy of biophotons radiated from a fingertip. Atlas of Science

De esta manera, gracias a la comunicación celular, se activan las órdenes para formar los órganos. También se descubrió que los biofotones son portadores de información con capacidad de transmitirse a distancia entre dos o más células. Su emisión se ha asociado con procesos biológicos de alta energía tales como el metabolismo de las células,  el crecimiento, la actividad neuronal, la fagocitosis, el cáncer y el estrés oxidativo. Se ha sugerido que la emisión de biofotones puede reflejar el estado global de la salud del organismo. Si los cambios en la emisión de biofotones ocurrieran como resultado de intervenciones, su análisis podría resultar útil para el monitoreo de la respuesta del paciente a un tratamiento específico y cambios globales en su estado de salud. El desarrollo de las nuevas tecnologías de conteo de fotones a principios la década de los años 60 ha proporcionado las herramientas para demostrar la existencia ubicua de una luminiscencia de bajo nivel en todos los organismos vivos. La investigación inicial se llevo  a cabo en la URSS en la década de los 70, pero la existencia de esta emisión fotónica por organismos vivos fue confirmada por equipos de investigación de Australia, Polonia, Japón y EEUU. Las emisiones son del orden de 104 fotones/cm² por segundo y se han observado en bacterias, levaduras, animales enteros y plantas, así como en cultivos celulares y homogenatos de tejidos. También se nota una diferencia de emisión significativa entre las células normales y las tumorales y un aumento importante de la emisión en el momento de la muerte celular.

En el artículo “Enhancement of biophoton emission of prostate cáncer cells by Ag nanoparticles” se demuestra que el efecto de agregar nanopartículas de plata en el tejido humano, aumenta considerablemente la emisión de biofotones, tal vez como consecuencia de un efecto de resonancia plasmónica superficial localizada. Además en el artículo “New Generation Cadmium-Free Quantum Dots for Biophotonics and Nanomedicine” se utilizan puntos cuánticos en la obtención de un rendimiento más elevado para su utilización en aplicaciones biofotónicas. Las nanopartículas tales como los plasmones y los puntos cuánticos permiten potenciar la emisión ultradébil de fotones por organismos vivos para su utilización en nanomedicina.