Simó Schwartz - Avances en nanomedicina. La nanotecnología aplicada a la biomedicina

Avances en nanomedicina.
La nanotecnología aplicada a la biomedicina

Prof. Dr. Simó Schwartz Jr

CIBBIM-Nanomedicina, Hospital Valle Hebron, Barcelona

EXPOQUIMIA, 16 NOVIEMBRE 2011

16/11/2011 CIBBIM - Nanomedicine http://gobi.edugali.com/cibbim/

LA NANOBIOTECNOLOGIA EN SALUD HUMANA

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)

16/11/2011 CIBBIM - Nanomedicine www.cibbim.net
http://gobi.edugali.com/cibbim/

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).


La Nanotecnología
(Rango de tamaños)

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 350 nm
20-100 nm: virus NANOPARTICLES
200 nm: diameter of smallest bacteria
1 μm: diameter of mitochondria ( x 2 μm length) 200 nm
1-5 μm: bacteria 100 nm
10-100 μm: human cell
27 nm
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

La Nanotecnología
(comparativa)

NANOPARTICLES

1 µm


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


Blanco E, Exp Biol
Med 234:123–131, 2009
16/11/2011
, Review. CIBBIM - Nanomedicine http://gobi.edugali.com/cibbim/

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


Enzyme Replacement Therapy of α-GalA.

Target: Cellular lysosome

Quitosan

PPDN
(Dendrimers)

CTAB

SLN

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…)


125
HCT-116
100

Cell Viability (%)
75

Toxicity reduction 50

25 CPT
SNP-CPT
0
0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10

µ
Concentration (µg/mL)

125 U87-MG

100

Cell Viability (%)
75

50

25 CPT
SNP-CPT
0
0.0001 0.001 0.01 0.1 1 10
Botella P et al, J Control Release. 2011
µ
Concentration (µg/mL)

LIBERACION RETARDADA

HIDROGELES Y NANOCRISTALES


PODER ATRAVESAR LA

BARRERA HEMATOENCEFALICA

Y REDUCIR LA RESISTENCIA

AL TRATAMIENTO SON

PUNTOS CLAVE DE MEJORA EN

LA FARMACOLOGÍA ACTUAL

Image from Dr.T.V.Rao MD for “e” learning in Medicine


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


CELL PENETRATING
PEPTIDES

RGD CONTAINING PEPTIDES

GLUCOSE, GLUTATHIONE

FACILITAN A LOS SISTEMAS
DE LIBERACIÓN (DDS)

PODER ATRAVESAR LA

BARRERA
HEMATOENCEFALICA

Dr.T.V.Rao MD for “e” learning in Medicine


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



ULTRASONIDOS 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.


CAMPO MAGNETICO COMO FUENTE EXTERNA

• 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 Thermal ablation of cancer cells assisted
by nanoshells coated with metallic layer
− The nanoshells are heated and an external energy source – National Cancer
Institute

with an external energy
source killing the cancer cells


ENZIMAS 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


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


Magnetic Resonance Imaging (MRI) using dendrimer contrast agents

Grodzinski et al., Expert Rev Mol Diagn, 6(3):307-318, 2006


OTHER APPLICATIONS OF

NANOSCIENCES

MEDICAL DEVICES

AND BIOSENSORS

Image from Dr.T.V.Rao MD for “e” learning in Medicine


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


Sistemas mecanicos

• Bio “Finger”

Dr. Tai-ping Sun, Biology 280S: Biotechnology & Genetic Engineering; Joshua Mendoza-Elias, Fall 2008

Sistemas electroquímicos
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 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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