Nanoneurociencia

La nanoneurociencia es un campo interdisciplinario que integra la nanotecnología y la neurociencia . ^[1] Uno de sus principales objetivos es obtener una comprensión detallada de cómo funciona el sistema nervioso y, por lo tanto, cómo se organizan las neuronas en el cerebro. En consecuencia, la creación de medicamentos y dispositivos que sean capaces de atravesar la barrera hematoencefálica (BHE) es esencial para permitir la obtención de imágenes y diagnósticos detallados. La barrera hematoencefálica funciona como una membrana semipermeable altamente especializada que rodea el cerebro, impidiendo que las moléculas dañinas que pueden disolverse en la sangre circulante entren en el sistema nervioso central.

Los dos principales obstáculos para que las moléculas que administran fármacos lleguen al cerebro son el tamaño (deben tener un peso molecular < 400 Da) y la solubilidad en lípidos. ^[2] Los médicos esperan sortear las dificultades para acceder al sistema nervioso central mediante la terapia génica viral . Esto a menudo implica la inyección directa en el cerebro o el líquido cefalorraquídeo del paciente. El inconveniente de esta terapia es que es invasiva y conlleva un alto factor de riesgo debido a la necesidad de cirugía para administrar el tratamiento. Debido a esto, solo el 3,6% de los ensayos clínicos en este campo han progresado a la etapa III desde que se desarrolló el concepto de terapia génica en la década de 1980. ^[3]

Otra forma propuesta de cruzar la barrera hematoencefálica es mediante la interrupción intencionada temporal de la barrera. Este método se inspiró inicialmente en ciertas enfermedades que, según se descubrió, rompían esta barrera por sí solas, como la enfermedad de Alzheimer , la enfermedad de Parkinson , los accidentes cerebrovasculares y las convulsiones. ^[2]

Las nanopartículas se diferencian de las macromoléculas porque sus propiedades superficiales dependen de su tamaño, lo que permite una manipulación estratégica de estas propiedades (o "programación") por parte de los científicos, algo que no sería posible de otro modo. Asimismo, la forma de las nanopartículas también se puede modificar para obtener un conjunto diferente de características en función de la relación entre el área superficial y el volumen de la partícula. ^[4]

Las nanopartículas tienen efectos terapéuticos prometedores en el tratamiento de enfermedades neurodegenerativas. El polímero reactivo al oxígeno (ORP) es una nanoplataforma programada para reaccionar con el oxígeno y se ha demostrado que detecta y reduce la presencia de especies reactivas de oxígeno (ROS) formadas inmediatamente después de lesiones cerebrales traumáticas. ^[5] Las nanopartículas también se han empleado como una medida "neuroprotectora", como es el caso de la enfermedad de Alzheimer y los modelos de accidente cerebrovascular . La enfermedad de Alzheimer da como resultado agregados tóxicos de la proteína beta amiloide formada en el cerebro. En un estudio, se programaron nanopartículas de oro para que se adhirieran a estos agregados y lograron descomponerlos. ^[6] De manera similar, con modelos de accidente cerebrovascular isquémico , las células en la región afectada del cerebro experimentan apoptosis, lo que reduce drásticamente el flujo sanguíneo a partes importantes del cerebro y, a menudo, resulta en la muerte o cambios mentales y físicos graves. ^[6] Se ha demostrado que las nanopartículas de platino actúan como ROS, sirviendo como "antioxidantes biológicos" y reduciendo significativamente la oxidación en el cerebro como resultado del accidente cerebrovascular . ^[6] Las nanopartículas también pueden producir neurotoxicidad y causar daño permanente a la barrera hematoencefálica, ya sea por edema cerebral o por moléculas no relacionadas que cruzan la barrera hematoencefálica y causan daño cerebral. ^{[5] Esto demuestra que se necesitan más estudios} in vivo a largo plazo para obtener suficiente conocimiento que permita realizar ensayos clínicos exitosos.

Una de las plataformas de administración de fármacos basadas en nanopartículas más comunes es la administración basada en liposomas . Ambos son liposolubles y a escala nanométrica, por lo que pueden atravesar una barrera hematoencefálica en pleno funcionamiento. Además, los lípidos son moléculas biológicas, lo que los hace altamente biocompatibles, lo que a su vez reduce el riesgo de toxicidad celular. La bicapa que se forma permite que la molécula encapsule por completo cualquier fármaco, protegiéndolo mientras viaja por el cuerpo. Una desventaja de proteger el fármaco de las células externas es que ya no tiene especificidad y requiere el acoplamiento a anticuerpos adicionales para poder dirigirse a un sitio biológico. Debido a su baja estabilidad, las nanopartículas basadas en liposomas para la administración de fármacos tienen una vida útil corta. ^[4]

La terapia dirigida con nanopartículas magnéticas (MNP) también es un tema popular de investigación y ha dado lugar a varios ensayos clínicos de fase III. ^[7] La ​​invasividad no es un problema en este caso porque se puede aplicar una fuerza magnética desde el exterior del cuerpo de un paciente para interactuar y dirigir las MNP. Se ha demostrado que esta estrategia es exitosa en la administración del factor neurotrópico derivado del cerebro , un gen natural que se cree que promueve la neurorrehabilitación, a través de la BHE. ^[5]

La visualización de la actividad neuronal es de importancia clave en la neurociencia. Las herramientas de nanoimágenes con resolución a escala nanométrica ayudan en estas áreas. Estas herramientas de imágenes ópticas son PALM ^[8] y STORM ^[9] , que ayudan a visualizar objetos a escala nanométrica dentro de las células. Hasta ahora, estas herramientas de imágenes revelaron el comportamiento dinámico y la organización del citoesqueleto de actina dentro de las células, lo que ayudará a comprender cómo las neuronas investigan su participación durante el crecimiento neuronal y en respuesta a una lesión, y cómo diferencian los procesos axónicos y la caracterización de la agrupación de receptores y la estequiometría en el plasma dentro de las sinapsis, que son fundamentales para comprender cómo responden las sinapsis a los cambios en la actividad neuronal. ^[1] Estos trabajos anteriores se centraron en dispositivos para la estimulación o inhibición de la actividad neuronal, pero el aspecto crucial es la capacidad del dispositivo para monitorear simultáneamente la actividad neuronal. El aspecto principal que se debe mejorar en las herramientas de nanoimágenes es la recolección efectiva de la luz, ya que un problema importante es que los tejidos biológicos son medios dispersivos que no permiten una propagación y un control directos de la luz. Estos dispositivos utilizan nanoagujas y nanocables para sondear y estimular. ^[8]

Los nanocables son "agujas" artificiales de tamaño nanométrico o micrométrico que pueden proporcionar registros electrofisiológicos de alta fidelidad si se utilizan como electrodos microscópicos para registros neuronales. Los nanocables son atractivos porque son estructuras altamente funcionales que ofrecen propiedades electrónicas únicas que se ven afectadas por las especies biológicas o químicas adsorbidas en su superficie; principalmente la conductividad. ^{[10] [11]} Esta variación de la conductividad en función de las especies químicas presentes permite un mejor rendimiento de detección. ^[12] Los nanocables también pueden actuar como sondas no invasivas y altamente locales. Esta versatilidad de los nanocables los hace óptimos para interactuar con las neuronas debido al hecho de que la longitud de contacto a lo largo del axón (o la proyección dendrítica que cruza un nanocable) es de aproximadamente 20 nm. ^[13]