¿ qué es nano - digital.csic: homedigital.csic.es/bitstream/10261/28098/1/ponencia1.pdf · ropa...

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Nuevos avances diagnósticos Nuevos avances diagnósticos basados en Nanotecnología basados en Nanotecnología

VII Congreso Nacional de Enfermería de la Defensa San Fernando (Cádiz), 26-28 Mayo 2010

Nanobiosensor

Nanomarcadores de cáncer

Nanodispositivo point-of-care

Prof. Laura M. LechugaCentro de Investigación en Nanociencia y Nanotecnología (CIN2,CSIC)Centro Nacional de investigación Biomédica en Red: Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina (CIBER-BBN)Barcelona, España

¿ Qué es nano ?

Tata Nano, el coche de los 1.800 euros

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1 nm = 0,000000001 m

átomosmoléculas

nanoscópicovirus bacterias

células

“NANOTECNOLOGÍA”Disciplina dedicada al diseño, fabricación y aplicación demateriales y sistemas a escala atómica y molecular que tengannuevas propiedades y funciones debido a su tamaño

oro

oro

•Efectos cuánticos

•Propiedades mecánicas

•Fenomenología interfacial

•Procesos biológicos

Al menos una dimensión entre 1 y 100 nm, surgiendo nuevas propiedades físicas, químicas y biológicas debido al tamaño

Todo tipo de aplicaciones industriales: electrónica, energía, medicina, transporte,…

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cancer NANOTECHNOLOGY plan

L´Oreal es la empresa con mayorynúmero de patentes en Nanotecnología

La Nanotecnología promete exceder con creces el impacto quetuvo la Revolución Industrial y se preveé que llegará a ser unmercado de $1 trillón para 2015

Fuerzas de capilaridad y de van der Waals permiten

la sujeción

En la naturaleza...

¿Es nueva la Nanotecnología?

Gecko TapeU. Manchester

New Scientist, Mayo 2003: “Synthetic gecko hairs promise walking up walls”

la sujeción

Las moléculas biológicas son Máquinas nanométricas sofisticadas

Motor de flagelo bacteriano

Un juguete de Spiderman cuelga de un techo de cristal. El muñeco (40 g) tiene en su mano un adhesivo gecko de 0.5x0.5 cm que puede sujetar más de 100 gramos!!!

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Copa de la FIFA

(Siglo XX)

Copa de Licurgo

(Siglo IV D.C.)

en la Historia....

Vidriera en la catedral de Notre Dame (X d.c.)

Productos comerciales nanotecnológicos

Cambia de color

Aplicaciones

Cosmética y lociones solares

Fármacos de mejor adsorción

Ropas resistentes y antimicrobianas

Pinturas, vidrios, recubrimientos

Las cremas solares con Nanoparticulas de óxido de zinc (30 nm) proporcionan mejor protección frente a los rayos ultravioletas y es transparante

resistentes

Cristales autolimpiables

Dockers®

A prueba de manchas, no se arruga!!!

a spa a e

Billones de nanofibras

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Visualizando biomoléculas……..

ProteínasUn único cromosoma

100 nm

10 nm

ADN

10 nm

Membranas celulares

ADN

ELECTRONICA

MATERIALES

CNTs, NPsNanoalambresNanoparticulas

Grafeno D k ®

FUTURO EN NANOTECNOLOGIA

ENERGIA

GrafenoNanocompositesPuntos cuánticos

Dockers®

MEDICINABIOTECNOLOGIA

Células de combustible

Célula solares

Baterías

Ultracapacitadores

Boeing, 2008

Electrónica molecular

Nanochips

Ropa inteligente

MP3, GPS

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Aplicación de la Nanotecnología para diagnosticar, prevenir y tratarenfermedades, preferentemente en el inicio de su desarrollo

Nanodiagnóstico:Nanobiosensores imagen

¿Qué es la Nanomedicina?

Nanobiosensores, imagen

NanomedicinaNanomedicina Liberación controlada de fármacos

Medicina Regenerativa:Terapia génicaTerapia celularIngeniería tisular

Mejora de la Prevención, Diagnósis y Terapia en la Salud humana

MEJORA DE LA CALIDAD DE VIDA DE LA SOCIEDAD

Aplicación de la Nanomedicina

Nanobiosensores para di ó ti i t tá

Nanopartículas para detectar cáncer o enfermedades infecciosas (in vivo).

Nanodispositivos para detectar (y destruir) células tumorales, virus o bacterias, nanorobotspara operar individualmente células “in-vivo”, nanofábricas de vitaminas hormonas

AVANCES INNOVADORES EN DIAGNOSTICO Y TRATAMIENTO

Nanoreparación para sustituir tejidos y órganosd ñ d i t tifi i l d l

Nanoterapias(1) lanzaderas de fármacos al

diagnóstico precoz instantáneo, in vivo y al lado del paciente

vitaminas, hormonas,..

dañados, sistemas artificiales de reemplazo(sistemas artificiales de visión, respirocitos parasustituir a los glóbulos rojos,...)

lugar específico(2) nanobombas de destrucción

mediante control remoto

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tóxico

Dosis adecuada

Liberación controlada de fármacos

Nanosistemas que pueden emplearse en

Los nanosistemas pueden mejorar laspropiedades de absorción de un producto deinterés y pueden permitir llegar al lugar enfermosin afectar las zonas circundantes sanas.

A- Liberación controladaB- Terapia convencional

Sub-terapeútico

Nanopartículas Dendrímeros

Nanosistemas que pueden emplearse en la dosificación de fármacos

Dispositivo realizado en tecnología MEMS para el transporte de fármacos en el interior del cuerpo.

Nanocápsulas poliméricas Liposomas

Doxil, DaunoXome, DeportDur, Ambisome, Abraxane,..

enfermo sano

Congénitas

I f i

Enfermedades

Medicina Regenerativa

Terapia Génica

Infecciosas

Tumores

. Degener.

. Cardiov.

. Autoinm.

. Diabetes

FuncionalesIngenieria Tisular

Terapia Celular

Nanolineas (200 nm)

Vasos sanguíneos artificiales

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VIAJE ALUCINANTE(FANTASTIC VOYAGE) (USA, 1966)

Nanodiagnóstico

Puntos Cuánticos

a) Tejido de pulmón de ratón con células cancerosas marcadas

normal enfermob) Ganglio centinela

c) Localización simultánea in vivo

d) Localización de un tumor de mama

Detección precoz de cáncer

Puntos Cuánticos (QD) para detección in vivo

QD (d:5nm): ú l CdS Z S

Nanopartícula multifuncional para detectar cáncer de próstata

15 nm

ligando para recubrimiento

núcleo-corteza CdSe-ZnS

inyectadonormal

QD PEG: mejor circulación

Polímero: protección hidrofóbica

Anticuerpo

enfermonormal

1 Hi t i d t ió

tumor

1. Hipertermia: destrucciónmediante control remoto(campos magnéticos, ….)

2. Operación quirúrgica

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Muestras 1 a 6 :

Se ha comprobado que todas ellas dan un buen

Nanopartículas magnéticas como marcadores para MRI

contraste, tanto en T1 y T2.

Las que peor contraste dan son las partículas tipo 3

Hospital Clínico Universitario Lozano Blesa

Happl: 1.5 TMedidas en T1 y T2

Terapia con nanopartículas

Combatiendo al cancer con nanopartículas magnetic as

Una nueva dimensión: Terapia efectiva contra el cáncer con efectos secundarios mínimos

18www.magforce.com

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Hacia un “laboratorio-en-un-chip”Muestra

analito

NANOBIOSENSOR

El futuro??

Lab-on-a-chipTransductor

Receptor Biológico

Procesado de datos

Señal

Paramount

Tricorder Gene I Tricorder Gene II

2015???Diagnóstico instantáneo

En cualquier lugar y momento

Tratamientos personalizados

Dentro del cuerpo humano

Nanodiagnóstico: dispositivos “Point-of-care”

Pacientes y profesionales conectados a través de redes sensoriales

Diagnóstico de pacientes

Seguimiento en estaciones centrales/hospitales

hogar lugar de trabajo

i-STAT Portable Blood Cli i l A l

E-nursing,telemedicine

Medidor glucosa

Clinical Analyzer

Trasmisión inalámbrica

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Au 45 nm

External Medium

Receptor

Analyte

Metallic layer

dd

m

SPxk

External Medium

Receptor

Analyte

Metallic layer

dd

m

SPxk

Biosensor Nanoplasmónico (SPR)

www.sensia.es

sin2

PxPk

sin2

PxPk

DETECCIÓN TEMPARANA DE CANCER DE MAMA HEREDITARIODetección de mutaciones puntuales en el gen BRCA1

5’ 3’BRCA-1 sequence (5,711kb)

185delAG 916delTT R1443X 5382insC



185delAG 916delTT R1443X 5382insC

185delAG = two bases (AG) deletion916delTT = two bases (TT) deletionR1443X = C to T transition5382insC = one base insertion

Breast cancer cells displaying mutations at BRCA genes

Detección de mutaciones Detección simultánea

48,0

48,5

49,0

refr

activ

e in

dex C om plem entary 5M

C ontrol 5M

Hibridación

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

frac

cion

(u.

a)

V= 1,16

V= 0,96V= 0,89

Complementario Mismatch externo Mismatch interno Secuencia control

0,4

0,5

0,6

0,7

sig

nal (

a.u

.)

9 1 9 1

SPR: DETECCIÓN PRECOZ DE CÁNCER

0 500 1000 1500 2000 2500

46,0

46,5

47,0

47,5

Cha

nge

on r

T im e (s)0 200 400 600 800 1000 1200 1400

-0,2

0,0

0,2

0,4

,

Indi

ce d

e re

f

Tiempo (s)

0 500 1000 15000,0

0,1

0,2

0,3

SP

R

Time (min)

185delAG = two bases (AG) deletion916delTT = two bases (TT) deletionR1443X = C to T transition5382insC = one base insertion

Tiempo de medida: inferior a 1 hora

MEDIDA DE 4 MUTACIONES PUNTUALES EN GEN BRCA1

EN TIEMPO REAL, SIN MARCADOR Y SIMULTÁNEA


GCGTTGAAGAAGTACAAAATGTCATTAATGCTATGCAGAAAATCTTAGAGTGTCCCATCTGTCTGGAGTTGATCAAGGAACCTGTCTCCACAAAGTGTGACCACATATTTTGCAAATTTTGCATGCTGAAACTTCTCAACCAGAAGAAAGGGCCTTCACAGTGTCCTTTATGTAAGAATGATATAACCAAAAGGAGCCTACAAGAAAGTACGAGATTTAGTCAACTTGTTGAAGAGCTATTGAAAATCATTTGTGCTTTTCAGCTTGACACAGGTTTGGAGTATGCAAACAGCTATAATTTTGCAAAAAAGGAAAATAACTCTCCTGAACATCTAAAAGATGAAGTTTCTATCATCCAAAGTATGGGCTACAGAAACCGTGCCAAAAGACTTCTACAGAGTGAACCCGAAAATCCTTCCTTGCAGGAAACCAGTCTCAGTGTCCAACTCTCTAACCTTGGAACTGTGAGAACTCTGAGGACAAAGCAGCGGATACAACCTCAAAAGACGTCTGTCTACATTGAATTGGGATCTGATTCTTCTGAAGATACCGTTAATAAGGCAACTTATTGCAGTGTGGGAGATCAAGAATTGTTACAAATCACCCCTCAAGGAACCAGGGATGAAATCAGTTTGGATTCTGCAAAAAAGGCTGCTTGTGAATTTTCTGAGACGGATGTAACAAATACTGAACATCATCAACCCAGTAATAATGATTTGAACACCACTGAGAAGCGTGCAGCTGAGAGGCATCCAGAAAAGTATCAGGGTAGTTCTGTTTCAAACTTGCATGTGGAGCCATGTGGCACAAATACTCATGCCA

822 pb 1013 pb

63/61 pb185delAG

58/60 pb916delTT

66 pbR1443X

66/67 pb5382insC

TTCCATCATAAGTGACTCTTCTGCCCTTGAGGACCTGA/CGAAATCCAGAACAAAGCACATCAGAAAAAGCAGTATTAACTTCACAGAAAAGTAGTGAATACCCTATAAGCCAGAATCCAGAAGGCCTTTCTGCTGACAAGTTTGAGGTGTCTGCAGATAGTTCTACCAGTAAAAATAAAGAACCAGGAGTGGAAAGGTCATCCCCTTCTAAATGCCCATCATTAGATGATAGGTGGTACATGCACAGTTGCTCTGGGAGTCTTCAGAATAGAAACTACCCATCTCAAGAGGAGCTCATTAAGGTTGTTGATGTGGAGGAGCAACAGCTGGAAGAGTCTGGGCCACACGATTTGACGGAAACATCTTACTTGCCAAGGCAAGATCTAGAGGGAACCCCTTACCTGGAATCTGGAATCAGCCTCTTCTCTGATGACCCTGAATCTGATCCTTCTGAAGACAGAGCCCCAGAGTCAGCTCGTGTTGGCAACATACCATCTTCAACCTCTGCATTGAAAGTTCCCCAATTGAAAGTTGCAGAATCTGCCCAGAGTCCAGCTGCTGCTCATACTACTGATACTGCTGGGTATAATGCAATGGAAGAAAGTGTGAGCAGGGAGAAGCCAGAATTGACAGCTTCAACAGAAAGGGTCAACAAAAGAATGTCCATGGTGGTGTCTGGCCTGACCCCAGAAGAATTTATGCTCGTGTACAAGTTTGCCAGAAAACACCACATCACTTTAACTAATCTAATTACTGAAGAGACTACTCATGTTGTTATGAAAACAGATGCTGAGTTTGTGTGTGAACGGACACTGAAATATTTTCTAGGAATTGCGGGAGGAAAATGGGTAGTTAGCTATTTCTGGGTGACCCAGTCTATTAAAGAAAGAAAAATGCTGAATGAGCATGATTTTGAAGTCAGAGGAGATGTGGTCAATGGAAGAAACCACCAAGGTCCAAAGCGAGCAAGAGAATCC¢CAGGACAGAAAGATCTTCAGGGGGCTAGAAATCTGTT




822 pb822 pb 1013 pb1013 pb

63/61 pb185delAG

58/60 pb916delTT

66 pbR1443X

66/67 pb5382insC



Al nanosensor para análisis:Paciente

Extracción de ADN

PCR

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Biosensor Nanofotónico en Microchips

Detección directa en el rango picomolar (10-12 M o 60 fg/ mm2)

Basado en guías de ondas de tamañonanométrico (4 nm). Fabricado contecnología estándar de silicio. Integradocon plataformas de microfluidica.

4 nm

Dispositivo POC con diagnóstico en chip

Plataforma de inmunodiagnóstico multiplexado de 20 biomarcadoresproteicos en muestras de médula de pacientes con leucemia mieloide aguda

Anticuerpos especificos

Biofuncionalizacion superficial

Extracción y preparación de la

muestra

Extracto proteíco

Matriz de micro/nanosensores

Procesado de datos

Microfluidica

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P. Cézanne P. Cézanne ProyectoProyecto EuropeoEuropeo IntegradoIntegrado

Chip Sensor unit

Biosensor de Glucosa implantado subcutáneamente

Rhodamine-doped sol-gel

Prototipo implantable

doped sol-gel waveguide over an ARROW filter

Hollow External filter

25http:// www.p-cezanne.eu 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

Inte

nsity

(a.

u)Lambda (nm)

Without filter (t = 100ms)

Phenol Red pH 4 (t = 1seg)

Biosensores nanomecánicos

Un clase nueva de biosensores que traduce la interacciónbiomolecular en un movimiento nanomecánico (SNPs-ADN yproteinas a nivel femtomolar)

micropalanca de Silicio

2) R i i bi l l1) Biofuncionalización de la micropalanca

3) Deflexión de la micropalanca debido alcambio de tensión superficial

2) Reconocimiento biomolecular

Deflexión de la micropalanca nm

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Multibiosensor Nanomecánico

1 mm

Cabello

Micropalancas de silicio utilizadas para fabricar Biochips portátiles. La secuencia o molécula de reconocimiento se sitúa sobre cada una de las micropalanca sensora.

humano

Nanobiosensor de ADN

Nanopalanca

Un sólo virus

Una sola célula

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Biochips actuales

Nanodiagnóstico

ADN de la novia

ADN del novio

• Equipos sofisticados, grandes instalaciones y personal cualificado

• Elevada cantidad de muestra (sangre, tejido)• Medidas indirectas con marcadores

fluorescentes: lento, costoso • Baja sensibilidad

PlataformasDesarrollo de tecnologías másrápidas directas de menorPlataformas

“Laboratorio-en-un-chip”rápidas, directas, de menorcoste, portátiles y reproduciblesbasadas en nanobiosensores

NANOMEDICINA

CONCLUSIONES

.......Y LO QUE NOS ESPERA EN EL FUTUROFUTURO........

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El paradigma en Nanomedicina………..

NANODISPOSITIVO

Nanobiosensores para diagnóstico precoz

Detección precoz de tumores

con puntos cuánticos

NANODISPOSITIVO

•Diagnóstico precoz

•Imagen a nivel molecular in-vivo

•Tratamiento focalizado y personalizado

• Seguimiento post-tratamiento

• Reparación zonas dañadas

célula de fibroblasto sobre sustrato nanoestructurado Transporte inteligente de

fármacos en el cuerpo humano

IMPLANTADO EN EL CUERPO

HUMANO

Nanobiosensores en urgencias

Tecnologías BeneficiosDatos en tiempo real e in situ

En el futuro......

NanofotónicaNanotubos,nanopartículasNanomecánica, NEMS

Datos en tiempo real e in-situImagen a nivel celularHerramientas quirúrgicas de precisiónguiadas por sensores

Nanobiosensores en la consulta

TecnologíasBiochipsNanoarrays de alta densidad

BeneficiosAnálisis completo en minutosDiagnósticos rápidos y precisosNanoarrays de alta densidad Diagnósticos rápidos y precisosTratamientos específicos y personalizados

Nanobiosensores en casa

TecnologíasWirelessDispositivos portátiles con bateríaDisplays de alta resolución

BeneficiosAuto-Pruebas diagnósticas simplesTransmisión automática de datos a historialclínico

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En el futuro...... nanobiochips, nanobiosensores,......

2007 20202015

DNA CD: DNA ID card?? NASA PROGRAMS

fast, ultrasensitive, high specific, low

Medical telebiosensor

Attach to the skin,providing valuableinformation abouthealth status for ast, u t ase s t e, g spec c, o

cost, and miniaturized biosensors

Can Biosensors Find Life on Mars?

health status forpatients, children,dangerous situations

(Nano)Medicina (Nano)Medicina personalizada..........personalizada..........

La Nanomedicina representa una oportunidad única y cercana de dar un gran saltocualitativo hacia la medicina del futuro: personalizada, no invasiva o mínimamenteinvasiva, de rápida respuesta, ejecución in situ (al lado del enfermo) y control clínico adistancia (telemedicina).

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Actividades de Nanomedicina en España

Plataforma Española de Nanomedicina

Más información en:

Aunar y coordinar los esfuerzosde la academia y la empresa españolas en el área de la

nanomedicina

Más información en:

http://www.nanomedspain.net

[email protected]

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Objetivos

Incrementar las capacidades de investigación de los grupos componentes(compartición de recursos, coordinación y el fomento de sinergias).

Potenciar un mayor y mejor uso de las tecnologías avanzadas en el Sistema Nacionalde Salud.

Mejorar el nivel tecnológico de la industria nacional en este sector.

Favorecer la aparición de especialistas con un alto nivel de formación en tecnologíaspara la salud.

Objetivos

www.ciber-bbn.es

El ciber BBN en cifras

Presupuesto anual: 7.700.000 euros

Investigadores: 200 (propios) + 750 (adscritos)

Grupos: 49. Universidades (28), Hospitales (9), Otros (12)

Roadmaps in Nanomedicine Towards 2020

Joint European Commission / ETP Nanomedicine Expert Report 2009

ETP Nanomedicine Secretariatc/o VDI/VDE Innovation + Technik GmbH

Dr. Sebastian Langet i t@ t di [email protected]

www.etp-nanomedicine.eu

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