Czytaj książkę: «Nanomedicina»

Un mundo en miniatura
para una nueva medicina

Unos pitidos despiertan a Carlos. ¿Suena el despertador? No, es el aviso de que ha llegado un mensaje de texto a su móvil. Carlos, todavía medio dormido, alarga la mano para alcanzarlo. «La eficacia del tratamiento ya no es óptima. Es necesario modificarlo. Cita en el hospital a las 13h. Liberados 10 miligramos de morfina para reducir el dolor», lee en la app Treat&Check (tratar y controlar). No es un mensaje escrito por un médico. O ¿en realidad sí? Todo depende de lo que entendamos por «médico» de aquí a unos años.

Carlos tiene 47 años y, desde hace diez meses, recibe tratamiento para combatir un cáncer de colon. En su torrente sanguíneo, un nanosensor patrulla para analizar cada ocho horas la presencia de ADN tumoral. Este ADN es el material que las células de su tumor expulsan al torrente sanguíneo. Son pequeños fragmentos del material genético del cáncer, una fuente de información muy valiosa, pues los cambios en ese ADN tumoral permiten saber si el tratamiento está siendo eficaz o si, por el contrario, el tumor avanza. Si el cáncer empeora o mejora, el material genético cambia. El nanosensor analiza ese ADN del tumor y envía la información al móvil de Carlos y de ahí al hospital, donde un supercomputador es capaz de manejar big data (grandes cantidades de datos) y analizar la información de Carlos y la de otros miles de pacientes en pocos segundos. Además, el supercomputador cruza los datos que recibe de Carlos (su ADN tumoral, pero también su presión arterial, sus niveles de glucosa, cuántas horas ha dormido…) con las bases de datos de los tratamientos que podrían ser adecuados para él. Todo ello para responder, cada ocho horas, a las siguientes preguntas: ¿está recibiendo Carlos el tratamiento adecuado?, ¿debería ajustarse la dosis?, ¿cómo se pueden reducir los efectos secundarios?

En este caso, además, el nanosensor ha detectado un aumento del dolor en Carlos, uno de los síntomas más habituales en un tratamiento oncológico. Y el supercomputador ha enviado la orden para que otro nanodispositivo que también circula por el torrente sanguíneo del paciente libere la cantidad de morfina adecuada y en el momento oportuno para que la dosis sea tan eficaz como segura.

Carlos ya no tiene que llamar a su centro médico para concertar una cita. Tampoco necesita hacerlo a través de internet. Y, tras sus visitas, el médico (humano) ya no le programa para dentro de uno, dos o tres meses, es decir, en un plazo fijo de tiempo. Carlos irá al médico cuando sea necesario. Mientras, el supercomputador cuida de él. El nanosensor analiza en tiempo real la evolución de su enfermedad y otro nanodispositivo libera fármacos para mitigar los efectos secundarios del tratamiento. El nanosensor envía información al móvil de Carlos, que a su vez la envía al hospital, donde el ordenador la procesa para remitir un breve informe al médico, que ya conocerá perfectamente el estado de su paciente cuando este llegue.

¿Una fantasía? Por poco tiempo. Actualmente ya es posible introducir y dirigir nanosondas metálicas y/o magnéticas a lugares determinados del cuerpo y liberar allí un fármaco o destruir un tejido dañado o detectar una célula maligna. También es posible realizar análisis genéticos personalizados, cirugía endoscópica dirigida telemáticamente y trasplantes de órganos. Además, disponemos de un arsenal farmacológico inimaginable hace pocas décadas. Todos estos avances han contribuido a mejorar nuestra longevidad e incluso a plantearnos sus límites. Si hoy podemos vivir más y en mejores condiciones que ninguna otra generación anterior es gracias a un principio muy sencillo: la aplicación de los últimos avances tecnológicos, de cualquier rama del conocimiento, al ejercicio de la medicina. Pensemos, por ejemplo, en cómo los avances en metalurgia han sido aprovechados para disponer de aleaciones más resistentes con las que fabricar prótesis, o en cómo el progreso de la química ha permitido modificar moléculas obtenidas de la naturaleza para potenciar sus efectos beneficiosos o reducir sus efectos adversos. Con los aceleradores de partículas se descubrió la manera de fabricar antimateria y esto se aprovechó para diseñar nuevas técnicas de imagen basadas en la emisión de positrones en el interior del cuerpo. Hoy en día, estas sustancias radiactivas se introducen de forma endovenosa y permiten observar el funcionamiento de órganos y tejidos, algo muy útil sobre todo en la investigación contra el cáncer.

EL NACIMIENTO DE LA NANOTECNOLOGÍA

A la luz de esta tendencia era fácil prever que en el momento en el que aprendiéramos la manera de manipular directamente los átomos para fabricar estructuras de tamaño molecular, lo que conocemoscomo «nanotecnología», se aprovecharía el potencial de estas nuevas herramientas para ir un paso más allá en nuestra capacidad para sanarnos. Y este momento tuvo su punto de partida en una fecha muy precisa: el 29 de diciembre de 1959, cuando el eminente físico estadounidense Richard Feynman pronunció una conferencia organizada por la Sociedad Americana de Física en el Instituto de Tecnología de California. La tituló There’s Plenty of Room at the Bottom («En el fondo hay espacio de sobra») y en ella especuló con la posibilidad de manipular los átomos directamente y con las posibilidades que esta capacidad nos ofrecería. Aunque en aquellos momentos la idea de miniaturizar las máquinas hasta el nivel atómico era aún una fantasía, Feynman puso el énfasis en que no había ninguna ley física conocida que lo impidiera:

Quisiera describir un campo en el que poco ha sido hecho, pero en el que, en principio, podrían hacerse muchísimas cosas […]. Aun más, lo importante es que tendría un número enorme de aplicaciones técnicas. De lo que quiero hablar es del problema de manipular y controlar cosas en una escala pequeña. Tan pronto como menciono esto, la gente me habla acerca de miniaturización, y cuánto ha progresado hoy […] Pero eso no es nada: ese es el paso más primitivo y vacilante en la dirección que intento discutir. Es un mundo sorprendentemente pequeño que está debajo. En el año 2000, cuando miren hacia atrás a este año, se preguntarán por qué no fue hasta el año 1960 que alguien comenzó seriamente a moverse en esta dirección.

Las posibilidades de lo que posteriormente se conocería como nanotecnología parecían infinitas, aunque no era su aplicación práctica lo que más motivaba a Feynman. A pesar de la evidente utilidad que podría tener en múltiples campos del conocimiento y de la tecnología, lo más interesante desde su punto de vista era superar el reto de conseguir manipular la materia a escala atómica. No obstante, uno de los ejemplos que planteó en la citada conferencia fue la primera referencia a la nanomedicina. Feynman explicó que un amigo suyo sugería una posibilidad muy interesante para máquinas relativamente pequeñas. Una idea que Feynman calificó de «salvaje» y que, literalmente, consistía en que en cirugía se pudiera «ingerir» al cirujano. Es decir, colocar a un cirujano mecánico en la circulación sanguínea del paciente para que alcanzara el interior de su corazón y «mirara» alrededor. De este modo, podría descubrir la válvula dañada y repararla con herramientas también minúsculas. Asimismo, otras «pequeñas máquinas» podrían ser incorporadas permanentemente en el cuerpo para asistir a algún órgano que funcionara inadecuadamente.

> RICHARD FEYNMAN, UN VISIONARIO DE LA FÍSICA

Feynman en 1986, cuando formaba parte de la Comisión Challenger.

Si hay un científico que pueda ser considerado uno de los precursores de la nanotecnología y, con ella, de la nanomedicina, ese es el físico teórico estadounidense Richard Phillips Feynman (1918-1988). No obstante, reducir su aportación a la ciencia únicamente a este campo es hacer poca justicia a una personalidad polifacética e inquieta, capaz de ver más allá de las ecuaciones matemáticas que desarrollaba e intuir todas sus posibilidades teóricas y prácticas. Tras obtener el doctorado en Princeton en 1942, Feynman participó en el proyecto Manhattan para el desarrollo de la primera bomba atómica. Una vez acabada la Segunda Guerra Mundial, se dedicó a estudiar la electrodinámica cuántica, labor que le valió el Premio Nobel de Física en 1965. Una de sus aportaciones en ese ámbito son unos diagramas que ideó para describir el comportamiento de las partículas subatómicas y que, bautizados con su nombre, todavía hoy son ampliamente utilizados por los físicos. Ya al final de su vida, en 1986, formó parte del comité que investigó el accidente del transbordador espacial Challenger. Pero lo que hizo más famoso a Richard Feynman fue su capacidad como divulgador de la ciencia, evidenciada en libros como ¿Está usted de broma, Sr. Feynman?, de 1985. Con todo ello presente, no es de extrañar que Feynman fuese uno de los primeros en imaginar las posibilidades de la manipulación de los materiales a escala nanométrica.

Para la comunidad científica, esa conferencia tuvo importantes repercusiones, pues lejos de quedarse en el ámbito especulativo se tradujo en un reto en toda regla. El mismo Feynman la concluyó ofreciendo dos premios de mil dólares: uno para quien fuera capaz de escribir un texto reducido 25 000 veces, de manera que pudiera ser leído en un microscopio electrónico; otro para el que fabricara un motor eléctrico rotativo de 1/64 de pulgada cúbica que pudiera ser controlado desde el exterior.

El segundo de esos premios tuvo ganador tan solo un año después de la conferencia: en noviembre de 1960, un ingeniero eléctrico estadounidense llamado William McLellan consiguió construir un motor del tamaño requerido y que generaba la millonésima parte de un caballo de fuerza. Para el primer reto, en cambio, fue necesario esperar hasta 1985, cuando Tom Newman, un estudiante de doctorado de la Universidad de Stanford, escribió la primera página de la novela de Charles Dickens Historia de dos ciudades a escala 1/25 000 usando un haz de electrones sobre la cabeza de un alfiler. El reto lanzado por Feynman había obtenido respuesta y la nanotecnología abría las puertas a un nuevo concepto para resolver problemas tecnológicos.

Al calor del incipiente interés por la nanotecnología, en la década de 1980 aparecieron los primeros trabajos que ligaban procesos bioquímicos con nanotecnológicos, dando origen así a la nanobiotecnología. Fue Kim Eric Drexler quien puso los cimientos de esta área al polarizar los potenciales de la tecnología molecular y apuntar así a la posibilidad de reproducir mecánicamente lo que las células controlan biológicamente. Un camino este rubricado en 2016 con la concesión del Premio Nobel de Química al francés Jean-Pierre Sauvage, el escocés sir J. Fraser Stoddart y el holandés Bernard L. Feringa por, en palabras del comité Nobel, su contribución al «diseño y desarrollo de máquinas moleculares».

FIG. 1

Esquema de microscopio de efecto túnel, una herramienta que, a diferencia de los microscopios electrónicos, permite visualizar la materia a nivel atómico, así como manipular átomos al modo que pronosticaba el físico Richard Feynman.

La tecnología necesaria para obtener, de manera eficiente, las estructuras moleculares que se precisaban para trabajar a escala nano llegó en 1981 con el «microscopio de efecto túnel» (fig. 1), un instrumento que permite identificar átomos individuales. Su funcionamiento, completamente diferente al de los microscopios habituales, se basa en hacer pasar sobre la muestra que se pretende observar una punta tan afilada que consta de un solo átomo en el extremo. Si la punta está lo suficientemente cerca de los átomos de la superficie de la muestra, interacciona con sus electrones y se genera una pequeña corriente. Desplazando la punta y midiendo los cambios en la corriente, se puede «dibujar» el perfil de los átomos individuales de la muestra.

Fue un desarrollo extraordinario. Pero los científicos consiguieron ir un paso más allá cuando se dieron cuenta de que si en lugar de limitarse a medir la corriente pasaban a controlarla, la misma punta permitía capturar y depositar los átomos a voluntad. Es decir, no solo se obtenía una imagen de los átomos, sino que estos también se podían controlar. Con esta técnica se consiguió manipular átomos individuales por primera vez, un logro escenificado de manera incontestable en 1989 cuando este instrumento se usó para desplazar 35 átomos de xenón y depositarlos sobre una superficie de modo que recrearan el logo de IBM.

Aquello fue una proeza casi artesanal que no tardó en quedar superada por los avances que tuvieron lugar posteriormente. Ya se podía diseñar con precisión la posición de cada átomo en estructuras moleculares, pero para generalizar sus múltiples aplicaciones en diferentes campos, como la industria, las telecomunicaciones o la medicina, se requería la fabricación a gran escala, una situación que tuvo su eclosión en la última década del siglo XX. A partir de este momento, el desarrollo de la nanotecnología no ha dejado de crecer.