Clinical Research Insider

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Neuronanotecnología: de las imágenes mentales a la reparación del cerebro

Por: Trilce María Fernanda Ortega Hernández*

Desde los orígenes de la filosofía occidental y, siglos después, con los primeros estudios del sistema nervioso, siempre nos ha fascinado esa misteriosa caja negra que nos conecta con el mundo a nuestro alrededor. Conocer su funcionamiento no ha sido nada fácil. Muchos científicos opinan que estamos lejos de descubrir todo lo que la máquina biológica más increíble logra con sus infinitas conexiones celulares.

El cerebro humano es capaz de imaginar y fabricar herramientas para estudiarse y sanarse a sí mismo. Una de estas realizaciones de la mente humana es la bionanotecnología, es decir, la fabricación de materiales, compuestos o máquinas con estructuras biocompatibles —cuyo tamaño no excede los 100 nanómetros— para su utilización en la medicina, tanto en el diagnóstico y la terapéutica como en las cirugías. Dado que ofrece alternativas más eficaces y no invasivas, mucha de esta tecnología ya ha sido probada in vitro e in vivo (en modelos animales), sin embargo, falta mucho para entender procesos de sistemas biológicos tan complejos como el cerebro.

El cerebro no solo enlaza todo nuestro cuerpo, también nos conecta con el medio circundante; toma información sensorial de éste, lo codifica en un lenguaje eléctrico y lo traduce a respuestas adecuadas para interactuar con dicho medio y sobrevivir. Aunque sin duda es maravilloso, el cerebro sigue siendo un órgano expuesto a daños, deficiencias y, por supuesto, a la muerte. La nanotecnología pretende utilizarse como herramienta para entender su funcionamiento, pero también en el tratamiento de neuropatologías y trastornos, e incluso llevarlo a un nivel cognitivo superior y trasponer las barreras de la muerte.

La neuronanotecnología puede ser muy útil en el diagnóstico temprano de neuropatías y tumores, así como en la investigación del funcionamiento cerebral. Un ejemplo son los Quantum Dots: se ha demostrado que pueden marcar enfermedades difíciles de detectar en bajas concentraciones de patógenos. Por ejemplo, en etapas tempranas, la meningitis bacteriana se podría identificar mediante este nanocompuesto, el cual reacciona con una solución de puntos cuánticos con varios epítopos, localizando al patógeno antes de que se manifiesten síntomas graves y pueda ser tratado (Guo & Wei, 2005).

Otros mecanismos que pueden facilitar la eficacia del diagnóstico de neuropatías y la investigación del sistema nervioso son los implantes de nanodispositivos; un ejemplo son los nanocables de platino, que pasan a través del torrente sanguíneo pero sin interferir con el flujo de sangre. En un experimento estos nanocables se guiaron por el sistema neurovascular y fueron útiles para detectar la actividad de neuronas adyacentes a vasos sanguíneos (Llinás, et al. 2005). Las interacciones neurona neurona podrían ser explicadas a fondo gracias a estos nanocables, y así extender la investigación neurobiológica para establecer las causas biológicas de enfermedades mentales, al igual que el diagnóstico de lesiones.

Los nanobots son máquinas electromecánicas ensambladas a escala atómica. Tienen la capacidad de detectar y adaptarse al calor, rayos, superficies, sonidos y productos químicos, así como también pueden auto-repararse o auto-replicarse. Los nanobots podrían ser utilizados para localizar, identificar y tratar tumores cerebrales malignos, gracias al uso de secuencias de focalización y campos magnéticos para la dirección y concentración de partículas.

La neuroimagen para el diagnóstico se volvería más precisa, sensible y localizada. Las tomografías por emisión de positrones —que emplean isótopos radiomarcados— podrían ampliar el espectro mediante nanomateriales de orientación para proporcionar una mejor resolución; incluso, estos mismos nanomateriales pueden ensamblarse a nanobots capaces de eliminar tumores cancerosos en el cerebro. Por las propiedades ultrasensibles de nanocompuestos se podría facilitar el mapeo de redes neuronales y los procesos moleculares que suceden dentro de las neuronas. Un ejemplo de lo anterior es la técnica que funciona al hacer brillar un láser para detectar nanorods de oro (Wang, et al. 2005).

También se busca aplicar las nanotecnologías a la terapéutica. Esto incluye desde nanomateriales farmacológicos, hasta nanobots reparadores de tejido cerebral. En farmacéutica se propone la administración de fármacos dirigidos. Los nanomateriales —como nanopartículas de metal y óxido metálico, nanocápsulas y otros nanomateriales recubiertos de biocompuestos— aumentan la biodisponibilidad y multifuncionalidad de los fármacos (Fonseca-Santos, et al. 2015).

Un ejemplo son las nanocápsulas llamadas Buckyballs C60 o fullereno, que son moléculas esféricas, huecas (en cuyo interior va contenido el fármaco) y con ligandos específicos en su estructura; éstos se dirigen a sitios específicos y desencadenan una liberación programada. Además, estas nanocápsulas protegen al agente biológico durante todo el recorrido hasta la célula o tejido diana (Ellis-Behnke, et al. 2007). Otras propiedades de estos nanomateriales y nanocápsulas es que pueden atravesar la barrera hematoencefálica con facilidad, incluso algunos atraviesan la membrana celular y modifican el funcionamiento enzimático o a nivel genético. Las consecuencias beneficiosas de estos nanocompuestos es que se requerirán menores dosis de fármaco —de 10 a 50 veces—, las terapias serán más cortas y con menores efectos secundarios sistémicos, aumentando así la eficacia de los fármacos en el sistema nervioso.

Otra impresionante y posible aplicación terapéutica de la neuronanotecnología es la regeneración de tejido nervioso por nanofibras de péptidos autoensamblables para que reparen axones y permitan la propagación de potenciales de acción. Un grupo de estudio se encuentra desarrollando ELI (Interfaz Similar a Endomyccorhizae) como una nanoprótesis neuronal, compuesta por nanofibras que se conectan entre sí y entre neuronas, formando una red híbrida. Estas nanofibras tienen la capacidad de difundir potenciales de acción donde se ha perdido la señalización neuronal por lesiones de accidentes cerebrovasculares, o a causa de enfermedades neurodegenerativas (Saniotis, et al. 2018).

Por otro lado, descifrar las bases biológicas de la mente es uno de los enigmas más fascinantes y complejos a los cuales nos hemos enfrentado como seres humanos. Muchos autores, científicos e ingenieros, están de acuerdo en que aunque las neurociencias están dando sus primeros pasos con la nanotecnología, es muy posible concebir un futuro donde incluso la mente podría ser cargada en computadoras para su estudio, creando una interfaz cerebro-computadora.

Esto es lo que promete el proyecto de Blue Brain, iniciado por la empresa IBM y que ahora tiene un alcance en investigación de empresas e institutos de todo el mundo. Este proyecto consiste en desarrollar un cerebro artificial que reconstruye y simula con detalles biológicos el cerebro de roedores y, en última instancia, el cerebro humano. Estas reconstrucciones y simulaciones son mapeadas de un cerebro in vivo mediante nanobots que permanecen mapeando y registrando cambios plásticos mediante la interfaz a una súper computadora. Aunque el proyecto aún se encuentra en estudios de laboratorio, esto podría ofrecer un enfoque para comprender la estructura y función del cerebro en muchos niveles, sobre todo a nivel cognitivo y mental, descifrando el código neural (Ganji & Nayana 2015; Ponia, 2019).

Todo lo anterior nos despierta la duda sobre si el empleo de dicha tecnología no tendrá también desventajas o repercusiones negativas a largo plazo. Es por ello que el desarrollo de la neuronanotecnología, aunque impresionante y prometedor, no ha sido una tarea sencilla para los científicos. Como en cualquier ámbito, para comprender un fenómeno natural complejo se enfrentan obstáculos y desafíos que nos mantienen en esta barrera que separa lo biológico de lo artificial; sin embargo, Ray Kurzweil —entre otros autores— predice, de manera entusiasta, que dentro de 10 años mucha de esta tecnología ya será aplicable, incluso la interfaz cerebro-computadoras.

*Trilce María Fernanda Ortega Hernández

Bióloga, neurocientífica e Investigación neuroetológica en primates no humanos en el Instituto de Neuroetología de la Universidad Veracruzana.

Referencias:

Ellis-Behnke, R.G., Teather, L.A., Schneider, G.E., & So, K.F. (2007). Using nanotechnology to design potential therapies for CNS regeneration. Current pharmaceutical design, 13(24), 2519-2528.

Fonseca-Santos, B., Gremião, M. P. D., & Chorilli, M. (2015). Nanotechnology-based drug delivery systems for the treatment of Alzheimer’s disease. International Journal of nanomedicine, 10, 4981.

Ganji, S. & Nayana, K. (2015). Upgrading human brain to blue brain. Information Technology, 3, 4.

Guo P & Wei C. (2005).Quantum dots for robust and simple assays using single particles in nanodevices. Nanomedicine. Nanotechnology, Biology, and Medicine, 1(2): 122-4.

Llinás R.R., Walton K.D., Nakao M., Hunter, I., Anquetil P.A. (2005).Neurovascular central nervous recording/ stimulating system: Usingnanotechnology probes. Journal of Nanoparticle Research. 7(2-3): 111 – 27.

Poonia, S.(2019) A Study on Blue Brain Modeling, Applications and its Challenges. International Journal of Research in Engineering, Science and Management, 2 (2).

Saniotis, A., Henneberg, M., & Sawalma, A.R. (2018). Integration of nanobots into neural circuits as a future therapy for treating neurodegenerative disorders. Frontiers in neuroscience, 12, 153.

Wang, H., Huff, T.B., Zweifel, D.A., He, W., Low, P.S., Wei, A., et al. (2005). In vitro and in vivo two-photon luminescence imaging of single gold nanorods. Proc Natl Acad Sci U S A, 102(44): 15752-6

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