Nanomedicina: La nanotecnología aplicada a la biomedicina

16/11/2011 http://gobi.edugali.com/cibbim/CIBBIM - Nanomedicine
Prof. Dr. Simó Schwartz Jr
CIBBIM-Nanomedicina, Hospital Valle Hebron, Barcelona
EXPOQUIMIA, 16 NOVIEMBRE 2011
Avances en nanomedicina.
La nanotecnología aplicada a la biomedicina

Nanomedicina:
Es la aplicación de nanotecnología a la medicina y la salud con un objetivo común: mejorar
significativamente los sistemas actuales de diagnóstico y tratamiento de las enfermedades, mediante
nuevos sistemas, biomateriales y metodologías desarrolladas a escala nanométrica (el concepto de la
miniaturización)
Implica la conjunción de diversas disciplinas científicas, entre ellas, microelectrónica, química, física,
biología, computación y biomedicina (y por tanto grupos de investigación biomédicos, pluridisciplinares
y grandes hospitales investigadores)
www.cibbim.net
LA NANOBIOTECNOLOGIA EN SALUD HUMANA

16/11/2011 http://gobi.edugali.com/cibbim/CIBBIM - Nanomedicine www.cibbim.net
Sus principales ámbitos de aplicación son:
- diagnóstico (in vitro, in vivo – imagen -)
- tratamiento
- medicina regenerativa (biomateriales)

La Nanomedicina terapéutica persigue obtener nuevos medicamentos,
dirigidos, más específicos, que permitan un tratamiento selectivo y una
liberación farmacológica controlada.
Pretende aumentar la eficacia terapéutica y reducir los efectos adversos
asociados (toxicidad).

1 nm: diameter of glucose molecule
2 nm: diameter of a single DNA strand
5 nm: diameter of insulin molecule
6 nm: diameter of a hemoglobin molecule
10 nm: thickness of cell wall (gram negative bacteria)
10 nm: prion NANOPARTICLES
15 nm: Monoclonal Antibody NANOPARTICLES
5-50 nm: protein NANOPARTICLES
25 nm: ribosome NANOPARTICLES
20-100 nm: virus NANOPARTICLES
200 nm: diameter of smallest bacteria
1 μm: diameter of mitochondria ( x 2 μm length)
1-5 μm: bacteria
10-100 μm: human cell
Nanopartícula: - 20-50 veces mayor que un compuesto de bajo peso molecular
- 4-8 veces el tamaño de un anticuerpo monoclonal
- Tamaño similar a un virus de pequeño tamño
- 1.000 veces más pequeña que una célula animal
350 nm
200 nm
100 nm
27 nm
La Nanotecnología
(Rango de tamaños)

NANOPARTICLES
La Nanotecnología
(comparativa)
1 mm

Duncan R. Drug Discovery. Nature Reviews, 2:347-360, 2003
www.cibbim.net

Blanco E, Exp Biol
Med 234:123–131, 2009

La Nanotecnología aplicada a Nanomedicina
(Tipos de nanopartículas)

Los nanoconjugados pueden extravasarse del torrente circulatorio

Petros and DeSimone, Strategies in the design of nanoparticles for therapeutic applications,
Nature Reviews in Drug Discovery , 9(8): 615-627 (2010)
Alnylam, media-kit at http://www.alnylam.com/News-and-Events/Media-Kit.php

J. Peng et al. / Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine 2 (2006) 113–114 120
www.cibbim.net

Quitosan
PPDN
(Dendrimers)
CTAB
SLN
Enzyme Replacement Therapy of a-GalA.
Target: Cellular lysosome
from Sanz F et al.

LA NANOMEDICINA PERMITE REDUCIR LA TOXICIDAD ASOCIADA AL
TRATAMIENTO FARMACOLÓGICO Y EN MUCHOS CASOS, INCREMENTAR
LA EFICACIA TERAPÉUTICA:
EVITANDO LA DEGRADACIÓN/METABOLIZACIÓN DEL CARGO EN EL
TORRENTE CIRCULATORIO
CAMBIANDO EL TIEMPO DE VIDA MEDIA DEL FÁRMACO, DISTRIBUCIÓN O
VIAS DE METABOLIZACIÓN
ADMINISTRANDO VARIOS FÁRMACOS SIMULTÁNEAMENTE
AUMENTANDO LA DOSIS EFECTIVA QUE LLEGA A LA CÉLULA DIANA
LIBERACIÓN RETARDADA DE FÁRMACOS (NANOCRISTALES…)

HCT-116
0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10
0
25
50
75
100
125
CPT
SNP-CPT
Concentration (mg/mL)
CellViability(%)
U87-MG
0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10
0
25
50
75
100
125
CPT
SNP-CPT
Concentration (mg/mL)
CellViability(%)
Botella P et al, J Control Release. 2011
Toxicity reduction

LIBERACION RETARDADA
HIDROGELES Y NANOCRISTALES

Image from Dr.T.V.Rao MD for “e” learning in Medicine
PODER ATRAVESAR LA
BARRERA HEMATOENCEFALICA
Y REDUCIR LA RESISTENCIA
AL TRATAMIENTO SON
PUNTOS CLAVE DE MEJORA EN
LA FARMACOLOGÍAACTUAL

The brain membrane is
impenetrable to most conventional
antibiotics because the molecular
structure of most drugs is too big
to enter the membrane.

Dr.T.V.Rao MD for “e” learning in Medicine
CELL PENETRATING PEPTIDES
RGD CONTAINING PEPTIDES
GLUCOSE, GLUTATHIONE
FACILITAN A LOS SISTEMAS DE
LIBERACIÓN (DDS)
PODER ATRAVESAR LA
BARRERA
HEMATOENCEFALICA

Nanoparticles help overcome Drug Resistance
- Endocytosis of DDS provide a scape mechanism
from MDR complexes
- several drugs can be loaded to overcome natural
tumor/disease resistance

DRUG DELIVERY SYSTEMS CAN BE
ACTIVATED BY EXTERNAL SOURCES

From Erich Ruetsche, Nanotechnology in Medicine, IBM Research, 2011

LUZ (NIR) COMO FUENTE EXTERNA

Nanodroplets strongly retained the loaded drugs; yet, under ultrasound-mediated vaporization
they released the drugs into the tumor tissue . Rapoport NY et al, Acoust Phys. 2009 Oct 1;55(4-5):594-601.
ULTRASONIDOS COMO FUENTE EXTERNA

Thermal ablation of cancer cells assisted
by nanoshells coated with metallic layer
and an external energy source – National Cancer
Institute
• Thermal ablation of
cancer cells
− Nanoshells have metallic
outer layer and silica core
− Selectively attracted to cancer
shells either through a
phenomena called enhanced
permeation retention or due
to some molecules coated on
the shells
− The nanoshells are heated
with an external energy
source killing the cancer cells
CAMPO MAGNETICO COMO FUENTE EXTERNA

• Nanoscience does
have an impact on
several areas of
microbiology. It allows
for the study and
visualization at the
molecular-assembly
levels of a process.
• It facilitates
identification of
molecular recognition
and self-assembly
motifs as well as the
assessment of these
processes
ENZIMAS COMO FUENTE EXTERNA

LA NANOTECNOLOGÍA TAMBIÉN
PERMITE GENERAR SISTEMAS
IMPLANTABLES DE LIBERACIÓN
FARMACOLÓGICA O MEDICINA
REGENERATIVA

From Prof. Dr. med. François Berger, Université Joseph Fourier, Director of Unit “Nanomédecine et
Cerveau“ of INSERM, Grenoble (F). CLINAM 2011, Basel.

RETINA: Desarrollo de nuevas terapias para enfermedades degenerativas
de la retina
El principal objetivo de este proyecto es el diseño de un modelo de retina que nos
ayude a comprender mejor algunos de los procesos comunes que se encuentran
en muchas patologías degenerativas de la retina y en el desarrollo de nuevas
alternativas terapéuticas que puedan contribuir a mejorar la calidad de vida de las
personas afectadas por estas patologías. El proyecto se centrará en dos
enfermedades que representan las principales causas de ceguera intratable en
las sociedades occidentales:Degeneración Macular y la Retinosis Pigmentaria.
Células microencapsuladas.
Introducción de células
modificadas genéticamente en
una matriz polimérica compuesta
por una membrana
semipermeable como agente de
liberación de fármacos. Las
células del interior actúan como
una microfactoría de un
determinado factor neurotrófico.

SISTEMAS DE DIAGNÓSTICO POR IMAGEN

Amornpun Sereemaspun, Nanogold &Quantum Dot
As Novel Biosensors, 2010

Grodzinski et al., Expert Rev Mol Diagn, 6(3):307-318, 2006
Magnetic Resonance Imaging (MRI) using dendrimer contrast agents

Image from Dr.T.V.Rao MD for “e” learning in Medicine
OTHER APPLICATIONS OF
NANOSCIENCES
MEDICAL DEVICES
AND BIOSENSORS

Seigneuric R et al., Nanotechnology for Cancer Research
Current Molecular Medicine, 2010, Vol. 10, No. 7

• Bio “Finger”
Dr. Tai-ping Sun, Biology 280S: Biotechnology & Genetic Engineering; Joshua Mendoza-Elias, Fall 2008
Sistemas mecanicos

I. Nanocircuitos para la determinación e identificación de moléculas o metabolitos
a) determinación de PSA
Zheng et al., Nat Biotech 23:1294-1301, 2005
Sistemas electroquímicos

Sistemas ópticos

Ventajas de la reducción del diagnóstico a escala nanométrica:
- múltiples análisis simultáneos
- métodologías no invasivas (reducción de riesgos) (sangre /saliva)
- no necesidad de instalaciones especializadas
- control a distancia
tiempo de análisis
requerimientos analíticos (pre-procesamiento de la muestra y volumen)
costes
rentabilidad del procedimiento
sensibilidad y especificidad analíticas
reproducibilidad y exportabilidad de los resultados (interlaboratorios)
ESF recommendations, 2005

MUCHAS GRACIAS !!!
Prof. Dr. Simó Schwartz Jr
CIBBIM-Nanomedicina, Hospital Valle Hebron, Barcelona

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