Viruses and nanomedicine

Dr. Carlos Darío Ramírez M. BSc, MSc, DSc.¹

1 Coordinación Nacional de Investigación. Programa Nacional de Formación en Medicina Integral Comunitaria (PNFMIC). Universidad Bolivariana de Venezuela (UBV). Caracas, Venezuela. Correo electrónico: carlosdarioramirez@yahoo.es; cdramirez@ubv.edu.ve

Los últimos avances en la investigación a escala atómica han supuesto el despertar de una nueva disciplina conocida como Nanomedicina. Esta disciplina emergente consiste en la aplicación de técnicas procedentes del campo de la nanotecnología a la salud humana. La nanotecnología, por su parte, tiene aplicación en otros campos como la electrónica, los materiales o la energía, pero es en el caso de su aplicación en biotecnología y salud donde presenta las expectativas más prometedoras por el impacto directo que puede tener sobre la vida cotidiana de las sociedades del futuro (1).

La interacción entre la Nanotecnología y la medicina constituye una oportunidad para llevar a cabo nuevos tratamientos o mejorar los ya existentes. Las diferentes técnicas que forman parte de la Nanotecnología manipulan átomos y moléculas, produciendo nanoestructuras artificiales que, siendo del mismo tamaño que las biomoléculas, pueden interactuar con células de los seres humanos (2, 3). Por este motivo, la nanomedicina ofrece nuevas soluciones en diagnóstico, tratamientos “inteligentes” y medicina regenerativa, actuando y estimulando los propios mecanismos controladores y reparadores del cuerpo humano. La medicina preventiva se vislumbra como una realidad a mediano plazo gracias a estas nuevas tecnologías. Haciendo uso de todos estos progresos y del hecho de que cada día se tiene un conocimiento más extenso del cuerpo humano a escala molecular, se puede tener una mayor capacidad de intervenir antes de la aparición de los síntomas de una enfermedad. Por todo ello, la nanomedicina tendrá un gran impacto en el diagnóstico precoz y en el tratamiento de enfermedades como el cáncer (4), la diabetes, el Alzheimer, el Parkinson y los problemas cardiovasculares, inflamatorios e infecciosos (5).

Los virus poseen características particulares como estructura modular, simetría y capacidad de autoensamblaje; además, las estructuras virales exhiben patrones simples y geométricos que buscan minimizar la energía empleada para su construcción. Por lo tanto, los virus pueden ser empleados con propósitos específicos en diversas áreas de la nanomedicina y ciencia de los materiales. Además, la mayoría presentan tamaños de menos de 100 nm, por lo que pueden ser considerados nanopartículas orgánicas (6).

Los componentes electrónicos cada vez son más pequeños. Esta miniaturización ha llegado casi al límite ya que los procesos para fabricar estos dispositivos son cada vez más complicados y costosos. Una nueva tendencia es formar estos microcomponentes mediante el ensamblaje de los átomos o de las moléculas que los componen, la pregunta es ¿cómo lograrlo de forma eficiente y a bajo costo? Pues los VIRUS saben muy bien cómo hacer esto y podemos aprender de ellos, ya que la mayoría de los virus poseen capacidad de autoensamblaje, desarrollada a través de millones de años de evolución en estructuras esféricas (icosaedros) o tubulares (cilindros o  helicoidales) formadas por medio del autoensamblaje, logrando estructuras altamente organizadas, simétricas y homogéneas (7).

Las aplicaciones y usos de los virus en la medicina van desde vacunas hasta el desarrollo de sistemas de diagnóstico y vehículos o vectores de terapia génica, desarrollados a través de procesos biotecnológicos. Una nueva aplicación de las estructuras formadas por las proteínas virales es como componentes micro y nanoelectrónicos, ya que pueden servir como un molde sobre el cual se sintetizan o conjugan diferentes compuestos inorgánicos sobre algunos aminoácidos que componen las proteínas de la cápside viral. El resultado es un nanomaterial híbrido con una matriz biológica con compuestos inorgánicos (metales, materiales magnéticos, semiconductores, fluorescentes, etc.) que les impartirán nuevas propiedades tales como absorber, transportar y generar energía, sintetizar compuestos, almacenar información, funcionar como sensores, emitir luz, para sistemas de diagnóstico y de señalización intracelular (8).

La nanomedicina, considerada como uno de los campos de las nanobiotecnologías con aplicaciones directas en medicina (9), se puede definir como una disciplina parte de la medicina que utiliza la tecnología en el diseño y evaluación de sistemas complejos, a escala nanométrica, formados por al menos dos componentes, uno de los cuales es el principio activo o molécula biológicamente activa y, el segundo, es el propio sistema que permite una función especial relacionada con el diagnóstico, tratamiento, o prevención de una enfermedad. Estas nanopartículas incluyen componentes activos u objetos en el rango comprendido desde un nanómetro hasta varios cientos de nanómetros. Dentro de la nanomedicina se encuentra gran cantidad de compuestos diferentes, incluyendo las nanopartículas transportadoras de fármacos, donde se diferencian las nanopartículas poliméricas, los liposomas o las micelas poliméricas (8-11). Este tipo de nanopartículas fueron descritas por primera vez por Speiser y colaboradores en los años 70 del siglo XX (3). Desde entonces, se ha realizado una considerable cantidad de trabajo permitiendo que ciertos tipos de nanopartículas hayan alcanzado los ensayos clínicos o incluso, en algún caso, hayan sido aprobadas para su utilización en humanos (12).

1. Proteger la molécula encapsulada frente a su eventual degradación desde el momento de la administración en el paciente hasta que alcanza su lugar de acción o absorción (nanosistemas de liberación de fármacos).

2. Atravesar las barreras biológicas como la piel, las mucosas gastrointestinal o respiratoria o, también, la barrera hematoencefálica.

3. Alcanzar el órgano, tejido o grupo celular diana donde la molécula debe ejercer su acción.

4. Alcanzar compartimentos intracelulares.

5. Controlar la liberación de la molécula activa en su lugar de acción o absorción.

Nanomedicina y el VIH

La nanotecnología es un campo multidisciplinar emergente que tiene el potencial para avanzar en el tratamiento y la prevención de VIH/SIDA radicalmente. El uso de la nanotecnología para numerosas aplicaciones biomédicas se ha convertido en un área de intensa investigación en la última década.

El Virus de la inmunodeficiencia humana/síndrome de inmunodeficiencia adquirida (VIH/SIDA) es una pandemia global y es la enfermedad infecciosa con resultados significativos sobre la morbilidad y la mortalidad con devastadores efectos socioeconómicos. Con el advenimiento de múltiples fármacos, la terapia antirretroviral de gran actividad (HAART, por sus siglas en inglés), el pronóstico para los pacientes infectados por el VIH ha mejorado significativamente. Sin embargo, la infección por VIH, en particular en sitios secuestrados, anatómicamente privilegiados, tales como el cerebro, testículos, intestino, hígado, riñón, y tejido linfoide secundario, se mantiene. Además, la aparición de cepas víricas resistentes y los efectos secundarios adversos asociados con el uso prolongado de los medicamentos siguen ralentizando la aplicación de terapias antivirales eficaces (14, 15).

Las ventajas potenciales del uso de la nanomedicina respecto a las terapias convencionales contra el VIH incluye la capacidad de incorporar, encapsular, o conjugar una variedad de medicamentos, a orientar las poblaciones de células específicas y ofrecer la liberación del fármaco específico en el sitio, y superar las barreras anatómicas, la toxicidad del fármaco, la farmacorresistencia, la adherencia subóptima, y el secuestro de virus (14, 15). A pesar de los grandes avances en la terapia, aún subsisten un número importante de obstáculos para su empleo, los cuales incluyen los perfiles de seguridad y eficacia y la toxicidad a largo plazo, la respuesta inmune injustificada, y ampliación y costo consideraciones de síntesis a gran escala de estas plataformas de nanopartículas.

Distintos tipos de nanoterapias han sido empleadas como agentes terapéuticos para la infección por VIH/SIDA, las cuales se pueden resumir en la tabla 1, donde se pueden observar tanto las ventajas como las limitaciones de las mismas.

Tabla 1. Nanoterapias en el VIH/SIDA*.

*. Adaptado de Mahajan SD y col., (2012).

A manera de reflexión

La búsqueda de las causas de muchas enfermedades se está empezando a realizar a nivel molecular,  en la nanoescala, por lo que muchas herramientas de diagnóstico y biosensores están íntimamente  relacionadas con el desarrollo de instrumental en el ámbito de la nanotecnología.

La nanotecnología no sólo permitirá detectar enfermedades con gran precisión, sino que permitirá  crear dispositivos capaces de combatirlas. En la actualidad se está haciendo un gran esfuerzo en el  tema de la “dispensación o liberación controlada de fármacos”. En la actualidad los fármacos se incorporan al torrente sanguíneo directamente o a través del sistema digestivo y se distribuyen por todo el organismo. Esta forma de proceder es ineficiente ya que se desperdician fármacos en lugares donde no se necesitan. Además, en ciertas ocasiones, estas sustancias pueden resultar dañinas para ciertos tejidos u órganos que están sanos, produciendo los efectos secundarios que encontramos listados en los  prospectos de los medicamentos. Un ejemplo bien conocido de este hecho son los desagradables efectos de la quimioterapia usada para tratar ciertos tumores.

Los enormes avances que se han desarrollado recientemente en la nanotecnología, y en particular en nanomedicina, ponen de manifiesto la necesidad de desarrollar las capacidades a nivel de la investigación en estos campos. Se requiere que se establezcan alianzas estratégicas para avanzar en el conocimiento de estas nuevas tecnologías, que permitan a nuestro país abordar de una manera sistemática todo lo relativo al desarrollo de esta nueva área de la medicina.

Se abren además nuevos retos y perspectivas, que no solo tienen que ver con la generación de nuevos conocimientos y sus aplicaciones, sino con los aspectos éticos, legales y de implicación social. La generación de nuevos conocimientos científicos siempre es un hecho positivo, ya que estos  nos permiten ampliar nuestros horizontes, mirar más lejos. Por el contrario, ya no es posible  decir rotundamente lo mismo de las aplicaciones que se dan a dicho bagaje científico. Todos  sabemos que el avance tecnológico proporciona enormes mejoras en la calidad de vida de las  personas, en su salud, alimentación, vestimenta, vivienda, medios de transporte, educación, ocio, etcétera. Sin embargo, también percibimos que hay otra cara en la moneda tecnológica cuando leemos u oímos noticias sobre la contaminación de la atmósfera, ríos y mares, el cambio  climático, la rápida extinción de especies biológicas, los accidentes de tráfico, la adicción de  algunas personas a videojuegos, la violencia que éstos pueden generar, etcétera. Está claro que el uso de las tecnologías deben regularse para hacer que el balance entre sus impactos positivos y negativos sea siempre favorable a los primeros. Esta tarea de regulación corresponde a organismos nacionales e internacionales, a las sociedades y comunidad en general que deben estar asesorados por expertos.

Durante los últimos años ha surgido cierta preocupación por la proliferación del uso de  nanopartículas. Aunque las sustancias de las que están fabricadas las nanopartículas son sobradamente conocidas, ya se sabe que la materia, cuando se presenta con tamaño nanométrico muestra propiedades distintas de las que posee a escala macroscópica. Esto es precisamente lo que abre ciertos interrogantes sobre las nanopartículas.

Dado que los nuevos nanomateriales podrían ser perniciosos para los humanos, los demás seres vivos y para el ambiente, es necesario seguir el principio de precaución y hacer estudios exhaustivos del impacto de sustancias ya conocidas y de las nuevas que se sintetizan en los laboratorios cuando se presentan en formato nanométrico, pero más importante aún es preparar a las nuevas generaciones para el uso responsable de las nuevas tecnologías, lo cual implica no solo el abordaje tecnológico y el desarrollo de nuevas tecnologías, sino también sobre la base del conocimiento para abordar los temas que se presentan a escala económica, productiva, social y culturalmente. En conclusión, prepararnos para el futuro inmediato.

1. Commission of the European Communities (2004) Communication: Towards a European Strategy for Nanotechnology, Brussels, COM 338.        [ Links ]

2. Murthy SK. Nanoparticles in modern medicine: state of the art and future challenges. Int J Nanomedicine 2007; 2:129-141.

3. Marty JJ, Oppenheimer RC, Speiser P. Nanoparticles—a new colloidal drug delivery system. Pharm Acta Helv 1978; 53: 17-23.

4. Jain KK. Recent advances in nanooncology. Technol Cancer Res Treat 2003; 7: 1-14.

5. Wei C, Wei W, Morris M, Kondo E, Gorbounov M, Tomalia DA. Nanomedicine and drug delivery. Med Clin North Am 2007; 91:863-870.

6. Lee LA, Wang Q. Adaptations of nanoscale viruses and other protein cages for medical applications. Nanomedicine 2006; 2: 137-149.

7. Salman H, Gómez S, Gamazo C, Costa Martins R, Zabaleta V, Irache JM. Microorganism-like nanoparticles for oral antigen delivery. J Drug Del Sci Technol 2008; 18: 31-39.

8. Lee LA, Wang, Q. Adaptations of nanoscale viruses and other protein cages for medical applications. Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine 2006; 2:137– 149.

9. Moghimi, S. M. Hunter, A. C., Murray, J. C. Nanomedicine: current status and future prospects. FASEB J. 2005; 19:311–330.

11. Lai YT1, Tsai KL, Sawaya MR, Asturias FJ, Yeates TO. Structure and flexibility of nanoscale protein cages designed by symmetric self-assembly.  J Am Chem Soc. 2013 May 22; 135(20): 7738–7743.

12. Conde J, Dias JT, Grazú V, Moros M, Baptista PV, de la Fuente JM. Revisiting 30 years of biofunctionalization and surface chemistry of inorganic nanoparticles for nanomedicine. Front Chem. 2014 Jul 15;2:48. doi: 10.3389/fchem.2014.00048. eCollection 2014.

13. Majoros IJ, Williams CR, Becker A, Baker JR Jr. Methotrexate delivery via folate targeted dendrimer-based nanotherapeutic platform. Wiley Interdiscip Rev Nanomed Nanobiotechnol. 2009 Sep-Oct;1(5):502-10.

14. Mahajan SD, Aalinkeel R, Law WC, Reynolds JL, Nair BB, Sykes DE, Yong KT, Roy I, Prasad PN, Schwartz SA. Anti-HIV-1 nanotherapeutics: promises and challenges for the future. Int J Nanomedicine. 2012;7:5301-14.

15. Volberding PA, Deeks SG. Antiretroviral therapy and management of HIV infection. Lancet. 2010;376:49–62.

16. Gomes MJ, Neves Jd, Sarmento B. Nanoparticle-based drug delivery to improve the efficacy of antiretroviral therapy in the central nervous system. Int J Nanomedicine. 2014 Apr 7;9:1757-69. doi: 10.2147/IJN.S45886. ECollection 2014.