Aplicaciones biomédicas para polímeros inteligentes

Imitando el estímulo-receptividad de los polímeros naturales

Los científicos que estudian los polímeros naturales encontrados en los organismos vivos ( proteínas, carbohidratos y ácidos nucleicos ) han aprendido cómo se comportan en biológicos sistemas a medida que realizan sus funciones estructurales y fisiológicas. Esa información se está utilizando para desarrollar sustancias poliméricas artificiales similares con propiedades específicas y la capacidad de responder a los cambios en su entorno.

Estos polímeros sintéticos son potencialmente muy útiles para una variedad de aplicaciones, incluidas algunas relacionadas con la biotecnología y la biomedicina.

Los polímeros inteligentes son cada vez más frecuentes a medida que los científicos aprenden sobre la química y los desencadenantes que inducen cambios conformacionales en las estructuras de polímeros y diseñan formas de aprovecharlas y controlarlas. Se están formulando químicamente nuevos materiales poliméricos que detectan los cambios ambientales específicos en los sistemas biológicos, y ajustan de manera predecible convirtiéndolos en herramientas útiles para el suministro de fármacos u otros mecanismos de control metabólico.

La respuesta no lineal de los polímeros inteligentes es lo que los hace tan únicos y efectivos. Un cambio significativo en la estructura y las propiedades puede ser inducido por un estímulo muy pequeño . Una vez que ocurre ese cambio, no hay más cambios, lo que significa que se produce una respuesta de todo o nada predecible, con uniformidad completa en todo el polímero.

Los polímeros inteligentes pueden cambiar la conformación, la adhesividad o las propiedades de retención de agua, debido a ligeros cambios en el pH, la fuerza iónica, la temperatura u otros desencadenantes.

Otro factor en la efectividad de los polímeros inteligentes radica en la naturaleza inherente de los polímeros en general. La fuerza de la respuesta de cada molécula a los cambios en los estímulos es la combinación de cambios de las unidades monoméricas individuales que, por sí solas, serían débiles.

Sin embargo, estas respuestas débiles, compuestas cientos o miles de veces , crean una fuerza considerable para impulsar procesos biológicos.

Clasificación y Química

Actualmente, el uso más frecuente para los polímeros inteligentes en biomedicina es para administración específica de fármacos . Desde el advenimiento de productos farmacéuticos de liberación controlada , los científicos se han enfrentado al problema de encontrar formas de administrar fármacos a un sitio en particular en el cuerpo sin tener que degradarse en los productos altamente ácidos ambiente estomacal La prevención de efectos adversos para huesos y tejidos sanos también es una consideración importante. Los investigadores han ideado formas de usar polímeros inteligentes para controlar la liberación de fármacos hasta que el sistema de entrega haya alcanzado el objetivo deseado. Esta versión está controlada por un disparador químico o fisiológico.

Existen polímeros inteligentes lineales y de matriz con una variedad de propiedades que dependen de grupos funcionales reactivos y cadenas laterales. Estos grupos pueden responder al pH, la temperatura, la fuerza iónica, los campos eléctricos o magnéticos y la luz. Algunos polímeros se entrecruzan de forma reversible mediante enlaces no covalentes que pueden romperse y reformarse dependiendo de las condiciones externas. La nanotecnología ha sido fundamental en el desarrollo de ciertos polímeros de nanopartículas, como dendrímeros y fullerenos, que se han aplicado para la administración de fármacos.

La encapsulación tradicional de drogas se ha hecho usando polímeros de ácido láctico. Desarrollos más recientes han visto la formación de matrices reticulares que mantienen el fármaco de interés integrado o atrapado entre los filamentos del polímero.

Las matrices poliméricas inteligentes liberan fármacos mediante una reacción que altera la estructura química o fisiológica, a menudo una reacción de hidrólisis que da como resultado la escisión de enlaces y la liberación del fármaco a medida que la matriz se descompone en componentes biodegradables. El uso de polímeros naturales ha dado lugar a polímeros sintetizados artificialmente tales como polianhídridos, poliésteres, ácidos poliacrílicos, poli (metacrilatos de metilo) y poliuretanos. Se ha encontrado que los polímeros hidrófilos, amorfos, de bajo peso molecular que contienen heteroátomos (es decir, átomos distintos del carbono) se degradan más rápidamente. Los científicos controlan la tasa de administración de fármacos variando estas propiedades, ajustando así la tasa de degradación. Los copolímeros

Graft-and-block están compuestos de dos polímeros diferentes injertados juntos. Ya existen varias patentes para diferentes combinaciones de polímeros con diferentes grupos reactivos. El producto exhibe propiedades de ambos componentes individuales que agregan una nueva dimensión a una estructura de polímero inteligente y pueden ser útiles para ciertas aplicaciones. Los polímeros hidrófobos e hidrofílicos reticulantes dan como resultado la formación de estructuras similares a micelas que pueden ayudar a la administración protectora del suministro de fármaco a través de un medio acuoso hasta que las condiciones en la ubicación objetivo provocan la ruptura simultánea de ambos polímeros.

Un enfoque de injerto y bloqueo podría ser útil para resolver problemas encontrados por el uso de un polímero bioadhesivo común, el ácido poliacrílico (PAAc). El PAAc se adhiere a las superficies de la mucosa pero se hinchará y se degradará rápidamente a un pH de 7. 4, dando como resultado la liberación rápida de fármacos atrapados en su matriz. Una combinación de PAAc con otro polímero que sea menos sensible a cambios a pH neutro podría aumentar el tiempo de residencia y ralentizar la liberación del fármaco, mejorando así la biodisponibilidad y la efectividad.

Los hidrogeles son redes de polímeros que no se disuelven en agua, pero se hinchan o colapsan en entornos acuáticos cambiantes. Son útiles en biotecnología para la separación de fases porque son reutilizables o reciclables. Se están investigando nuevas formas de controlar el flujo, o captura y liberación de compuestos diana en hidrogeles. Se han desarrollado hidrogeles altamente especializados para el suministro y la liberación de medicamentos en tejidos específicos.

Los hidrogeles fabricados con PAAc son especialmente comunes debido a sus propiedades bioadhesivas y a su tremenda absorbencia.

La inmovilización enzimática en hidrogeles es un proceso bastante bien establecido. Las redes poliméricas reticuladas reversiblemente y los hidrogeles se pueden aplicar de manera similar a un sistema biológico en el que la propia molécula diana desencadena la respuesta y la liberación de un fármaco.

Alternativamente, la respuesta puede ser activada o desactivada por el producto de una reacción enzimática. Esto se hace a menudo incorporando una enzima, receptor o anticuerpo, que se une a la molécula de interés, en el hidrogel. Una vez atado, se produce una reacción química que desencadena una reacción del hidrogel. El desencadenante puede ser oxígeno, detectado con enzimas oxidorreductasa o una respuesta de detección de pH. Un ejemplo de este último es el atrapamiento combinado de glucosa oxidasa e insulina en un hidrogel sensible al pH. En presencia de glucosa, la formación de ácido glucónico por la enzima desencadena la liberación de insulina desde el hidrogel.

Dos criterios para que esta tecnología funcione eficazmente son estabilidad enzimática y cinética rápida (respuesta rápida al activador y recuperación después de la eliminación del activador). Se han probado varias estrategias en la investigación de diabetes tipo 1, que implican el uso de tipos similares de polímeros inteligentes que pueden detectar cambios en los niveles de glucosa en sangre y desencadenar la producción o liberación de insulina. Asimismo, hay muchas aplicaciones posibles de hidrogeles similares como agentes de administración de fármacos para otras afecciones y enfermedades.

Los polímeros inteligentes no son solo para la administración de medicamentos. Sus propiedades los hacen especialmente adecuados para bioseparaciones .

El tiempo y los costos involucrados en la purificación de proteínas podrían reducirse significativamente mediante el uso de polímeros inteligentes que experimentan cambios reversibles rápidos en respuesta a un cambio en las propiedades del medio. Los sistemas conjugados se han usado durante muchos años en separaciones y inmunoensayos físicos y por afinidad. Los cambios microscópicos en la estructura del polímero se manifiestan como formación de precipitado, que se puede usar para ayudar a la separación de las proteínas atrapadas de la solución.

Estos sistemas funcionan cuando una proteína u otra molécula que se separa de una mezcla, forma un bioconjugado con el polímero y precipita con el polímero cuando su entorno sufre un cambio. El precipitado se elimina del medio, separando así el componente deseado del conjugado del resto de la mezcla. La eliminación de este componente del conjugado depende de la recuperación del polímero y un retorno a su estado original, por lo que los hidrogeles son muy útiles para tales procesos.

Otro enfoque para controlar las reacciones biológicas usando polímeros inteligentes es preparar proteínas recombinantes con sitios de unión de polímero incorporados cerca de sitios de unión de ligando o célula. Esta técnica se ha usado para controlar la actividad de unión del ligando y la célula, en función de una variedad de factores desencadenantes que incluyen la temperatura y la luz.

Aplicaciones futuras

Se ha sugerido que se podrían desarrollar polímeros que puedan aprender y autocorregir el comportamiento con el tiempo.Aunque esta podría ser una posibilidad muy remota, existen otras aplicaciones más factibles que parecen llegar en el futuro cercano. Una de ellas es la idea de los servicios higiénicos inteligentes que analizan la orina y ayudan a identificar problemas de salud. En biotecnología ambiental, también se han propuesto sistemas de riego inteligentes. Sería increíblemente útil tener un sistema que se enciende y apaga, y controla las concentraciones de fertilizantes, en función de la humedad del suelo, el pH y los niveles de nutrientes. También se están investigando muchos enfoques creativos para los sistemas de administración de fármacos dirigidos que se autorregulan en función de su entorno celular único.

Hay problemas obvios posibles asociados con el uso de polímeros inteligentes en biomedicina. Lo más preocupante es la posibilidad de toxicidad o incompatibilidad de sustancias artificiales en el cuerpo, incluidos los productos de degradación y subproductos. Sin embargo, los polímeros inteligentes tienen un enorme potencial en biotecnología y aplicaciones biomédicas si se pueden superar estos obstáculos.

_Fuentes

Yuk SH et al. Polímero sensible al pH / temperatura compuesto de poli (metil metacrilato de N (N, N-dimetilamino) -etilacrilamida). Macromolecules 30 (22) 1997: 6856 - 6859.

Patil NV. Los polímeros inteligentes están en el futuro de Biotech. Bioprocess International 4 (8) 2006: 42-46.

Stayton PS, Ding Z, Hoffman AS. Conjugados Smart Polymer-Streptavidin. Métodos Mol. Biol. 283 2004: 37-44.

Varshosaz J. Sistemas de administración de insulina para controlar la diabetes. Patentes recientes sobre descubrimiento endocrino, metabólico e inmune de drogas. 1 2007: 25-40.