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Cristian R. Munteanu
R. Munteanu
Investigador en Biomedicina
RNASA ‐ Redes de Neuronas Artificiales y Sistemas Adaptativos
TIC ‐ Dept. Tecnologías de la Información y las Comunicaciones
Facultade de Informática
de Informática
Universidade da Coruña
Web: http://miaja.tic.udc.es
Web:
http://miaja tic udc es
Email: [email protected]; [email protected]
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Red Iberoamericana financiada de CYTED que tiene dos objetivos principales: la integración de las tecnologías convergentes Nano‐Bio‐Info‐Cogno en el ámbito de la salud y la creación de una comunidad científica interdisciplinaria iberoamericana
C
Compuesta por 11 grupos de investigación con 84 investigadores de 7 países; la duración de la red es de 4 d i
i ió i
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ió d l d d años, desde 2009 hasta 2012
Los grupos: 
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España (investigación académica): Alejandro Pazos Sierra (UDC ‐ Universidad de A Coruña), Fernando Martín Sánche (ISCIII Instituto de Salud Carlos III), Rosa Villa (GAB‐CNM –
Sánchez (ISCIII ‐
Instituto de Salud Carlos III) Rosa Villa (GAB CNM Grupo de Aplicaciones Biomédicas del Instituto de Microelectrónica del Barcelona del Centro Nacional de Microelectrónica, CSIC), Victor Maojo (GIB – Universidad Politécnica de Madrid)
Chile (investigación académica): Fernando Danilo González Nilo (CBSM – Universidad de Talca), Tomas Pérez‐Acle (CBUC – Universidad Católica de Chile)
Portugal (investigación académica): José Luis Oliveira (IEETA ‐ Instituto de Engenharia Electrónica e Telemática de Aveiro)
Brasil (investigación ): Ana Tereza R. Vasconcelos (LABINFO/LNCC ‐ Laboratório National de Computação
Cientifica)
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Argentina
ti (investigación ): Daniel Luna (HIBA ‐
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ti ió ) D i l L
(HIBA Hospital Italiano de Buenos Aires)
H it l It li
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Venezuela (investigación ): Raúl Isea (IDEA ‐ Fundación de Estudios Avanzados)
Uruguay (empresa privada): Álvaro Margolis (EVIMED)
Webs: www.ibero‐nbic.udc.es
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Nano‐partículas
Partículas con dimensiones < 100 nm
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Nano‐medicina
Ventajas
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minimizar mucho el coste de los análisis:
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la detección del antígeno especifico para el cáncer de próstata cuesta 50$ y se estima que el precio puede bajar hasta unos céntimos;
ya existen chips que detecta proteínas con un precio de 10 céntimos/proteína; los chips tienen la gran ventaja de una compartimentación múltiple donde se puede analizar independiente y en el mismo tiempo diferentes proteínas (many labs‐on‐a‐chip);
cambiar las terapias y la prevención del cáncer:
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
encontrar nuevos targets para restablecer la dinámica de una red molecular del cáncer para volver a la normalidad
encontrar la combinación optima de medicamentos para cada paciente
reducir la cantidad de medicamentos necesarios para tratar un cáncer
enviar los medicamentos solo en las células tumorales sin afectar el resto del cuerpo del paciente, sin generar los efectos secundarios que muchas veces son brutales
controlar la dimensión de las nano partículas, se puede controlar el tiempo de acción del fármaco
controlar la dimensión de las nano‐partículas, se puede controlar el tiempo de acción del fármaco
en los próximo 10 años se espera el diagnostico presintomático desde el sangre para el cáncer
dentro de un tipo de cáncer específico para un tejido se va diferenciar distintos tipos de cáncer y se va tratar con tratamientos personalizados
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Ejemplos de terapia de cáncer
 doxorubicina liposomal existía y ahora está reconocida como una NP; se utilizo en el cáncer de ovarios y mielomas
 nuevas nano‐partículas como IT‐101:
 paso el test en los humanos en el fase I
 es una NP de 30 nm que incluye camptothecin (parecido a irinotecan y topotecan, medicamentos en chemoterapia)
 las NPs se pueden quedar 40 horas para acumularse dentro de una tumor (el medicamento se elimina en solo unos minutos)
 se aplico con éxito en los canceres hepático, renal y de páncreas; se probara en el cáncer de ovarios
 las NPs que incluyen small interfering RNA (siRNA) y proteínas especificas para los receptores en células cancerígenas; dentro de la célula tumoral libera siRNA que va inhibir la producción de proteínas interesada
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Aplicaciones nano en Medicina
 Drug delivery that can use the smart drugs (nanomaterials which become active inside cells only when an infection invades), nanosystems (takes benefit from microchip based devices that dump nanolitres of drugs from reservoirs), bioadhesion
of drugs from reservoirs) bioadhesion molecule (attaches to the cell membrane it secretes the drugs inside from where it is transported within the cell), nanocomposite hydro gels (upon heating can release the drugs they encapsulate), magnetic fluids (bind with and concentrate the drugs at the site of their delivery):
g
y

Nervous system: the biodistribution of nanoparticles as drug delivery agents specific for central nervous system (CNS) was improved by Vergoni group. One problem for the pharmacological treatment of neurological disorders is the inability of drugs to pass the blood‐brain barrier. The new polymeric nanoparticles
l
i i l (NPs) made of poly(d,l‐lactide‐co‐glycolide), surface‐decorated with the (NP ) d f l (d l l id
l lid ) f
d
d i h h peptide Gly‐l‐Phe‐d‐Thr‐Gly‐l‐Phe‐l‐Leu‐l‐Ser(O‐β‐d‐glucose)‐CONH2 prove the capability to deliver, after intravenous administration, the model drug loperamide into CNS. This new drug delivery agent demonstrated a strong and long‐lasting pharmacological effect, far greater than that previously observed with other nanoparticulate
i
l b
d i h h i l
carriers.
i

Meningitis: the liposomal encapsulated cytarabine (DepoCyte®, Mundipharma GmbH, Limburg/Lahn, Germany) can treat the lymphomatous and leukemic meningitis.
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Aplicaciones nano en Medicina
 Cancer
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The use of the 156.6 nm folate‐conjugated bovine serum albumin nanoparticles as a drug carrier system could be effective in targeting vinblastine sulfate‐sensitive tumors in the future.

The 130 nm doxorubicin (DOX) PEGylated nanoparticles can maximize the efficacy of the drug and the dose‐limiting cardiotoxicity
g
g
y by controlled release of the drug . Thus, these y
g
,
nano particles can be used to treat some leukemias, Hodgkin's lymphoma, cancers of the breast, bladder, ovaries, stomach, thyroid, lung, soft tissue sarcoma and multiple myeloma.

The same drug as 100 nm self assembling chimeric polypeptide
The same drug as 100 nm self‐assembling chimeric
polypeptide–doxorubicin conjugate doxorubicin conjugate nanoparticles can eliminate the tumours after a single injection.

The new nano‐particles IT‐101 pass the test in humans in phase I . IT‐101 is a 30 nm nano‐
particle conjugate as a drug delivery molecule namely a cyclodextrin‐based polymer (CDP) particle conjugate as a drug delivery molecule, namely a cyclodextrin
based polymer (CDP) (Cyclosert) and an anti‐cancer compound (camptothecin). These particles can stay 40 hours to accumulate in a tumor (the drug is eliminated within minutes) and can successfully act in liver, kidney and pancreas cancers (tests are made for the ovarian cancer).
)
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Aplicaciones nano en Medicina
 Breast cancer:

The silk fibroin‐derived curcumin nanoparticles
p
show higher efficacy against breast cancer g
y g
cells and have the potential to treat in vivo breast tumors by local, sustained, and long‐term therapeutic delivery as a biodegradable system .

Other system to kill the breast cancer cells is the use of the nanoprobes that hit targets in tumors with less chemo side effects . The nanoprobes (nanorods) charged with the breast cancer drug Herceptin are targeting the endosomes of cells, mimicking the delivery of the drug on its own. The nanoprobes are about 1,000 times smaller than the diameter of a h
human hair and contain gold and magnetic particles. Thus, the magnetic portions of the h i d i ld d i i l Th h i i
f h nanoprobes can be tracked by an MRI machine and the gold can be detected by the a more sensitive microscope.

By combining nanotubes (about 90 nm long) and antibodies (created to attack the HER2 protein in tumor cells) can help to cure the breast cancer .
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Aplicaciones nano en Medicina
 Ovarian cancer: The scientist found that the magnetic nanoparticles of Fe3O4 (MNPs‐Fe3O4) can reverse the diaminedichloro platinum (DDP) resistance to the ovarian carcinoma cell . The increase of the intracellular platinum accumulation and the induction of the cell apoptosis are linked with the over‐expression of MDR1, LRP, P‐gp, and Bcl‐2.
 Pancreatic cancer: The human immunodeficiency virus (HIV)‐1‐based lentiviral vectors can be efficiently used for pancreatic cancer gene therapy.
ffi i tl d f ti th
 Brain cancer: The nano‐bio material (inorganic titanium dioxide nanoparticles bonded to soft biological material) can kills cancer cells but leaves healthy cells in unharmed by targeting specific cell surface receptors expressed on brain cancer cells.
ifi ll f d b i ll
 Lung: Colloidal nanocarriers are adequate for the pulmonary drug delivery . The lung has the following advantages as target for drug delivery: the noninvasive administration via inhalation aerosols, the escaping of first‐pass metabolism, the direct delivery to the disease, and the huge surface area for absorption and action of the drugs.
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Aplicaciones nano en Medicina
 Liver and spleen: the 210 nm core‐shell nanostructures encapsulating gentamicin (~20%) can be used against Salmonella from liver and spleen . The nanoparticles are formed by block copolymers of (PAA +Na b (PEO b PPO b PEO) b PAA +Na) that were blended with PAA–
copolymers of (PAA–+Na‐b‐(PEO‐b‐PPO‐b‐PEO)‐b‐PAA–
+Na) that were blended with PAA
Na+ and were complexed with the polycationic antibiotic gentamicin.
 Liver gene transfer: DNA‐chitosan nanoparticles can help to transfer new genes in humans . After the hydrodynamics‐based injection these nanoparticles
Aft
th h d d
i b d i j ti th ti l were predominantly accumulated d i
tl l t d in the liver, where the transgene was expressed during at least 105 days.
 Arthritis: The inhibition of the osteoclast differentiation and bone destruction in arthritis can be done with water‐soluble fullerene (C60) . The receptor activator NFκB (RANK) signal b
d
i h l bl f ll
(C6 ) Th i
NF B (RANK) i
l pathway is required for the osteoclast differentiation and the results indicate that C60 downregulates the RANK‐induced osteoclast differentiation and is a potential therapeutic agent for inhibition of osteoclastic bone destruction in arthritis.
 Leukemia apoptosis: the synergistic use of the magnetic nanoparticles of Fe3O4 (MNPs‐Fe3O4) with gambogic acid (GA) on K562 leukemia cells apoptosis .
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Aplicaciones nano en Medicina
 Tissue imaging:

Colorectal cancer: One oral form of a 100 nm nano‐particle to encapsulate 5‐aminolaevulinic acid (5‐
ALA) was built and proved the detection of the Caco‐2 colon cancer cells .
p

Breast tumor: a liposomal nanoparticles encapsulating the traditional iodinated contrast agent was used for micro‐computed tomography imaging (100‐micron isotropic resolution) for mammary carcinoma cells . Therefore, the approach can be useful for studying tumor angiogenesis and for evaluating anti‐
angiogenesis therapies ; other: ABI‐007, a albumin‐bound, 130‐nm particle formulation of paclitaxel
i
i h
i h ABI
lb i b
d i l f
l i f li
l
demonstrated his significantly lower toxicity compared with the standard paclitaxel in a randomized phase III trial.

Lung cancer: It is possible to characterize different αvβ3 integrin expression pattern in lung cancers by using arginine‐glycine‐aspartic acid (RGD) peptide conjugated ultra‐small superparamagnetic iron oxide nanoparticles (RGD‐USPIO) and a clinical 3.0T MR scanner . The adhesion molecule αvβ3 integrin are involved in tumor development and metastases.

Cancers: a single nanoparticle can be tracked in real time with MRI on cancer cells, tags them with a fluorescent dye and kills them with the heat . The nanocomplexes are constructed by coating a gold nanoshell with a silica epilayer doped with Fe3O4 and the fluorophore ICG. This all‐in‐one particle is one example from a new field called "theranostics" that consists in the diagnose and treat diseases in a p
g
single procedure.
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Nano‐robots
2007 - Israel
1 mm de diámetro
 puede trepar por el interior de venas y arterias con la ayuda de sus fuertes brazos
mecánicos, y se dirige
g mediante un campo
p magnético
g
situado fuera del cuerpo
p del
paciente, gracias al cual incluso puede nadar contracorriente y penetrar en los orificios
más delicados de tu ser.
 podrían ser liberados en el interior de enfermos de cáncer para combatir los tumores
2010 – Estados Unidos
100 nm
 robots capaces de realizar funciones complejas a nivel molecular de forma
independiente gracias a la inserción de ADN en sus componentes; pueden trasladrse de
un punto de enlace biológico a otro sobre una superficie de código genético.
(1) “caminante de ADN” - una araña molecular que según las claves que le suministre
el ambiente en el que se encuentre, será capaz de ejecutar acciones de manera
independiente Sus tres patas son enzimas de ADN que pueden dividir una
independiente.
secuencia determinada en un sustrato cubierto también de esta fuente de vida.
(2) una cadena de montaje a escala nanométrica con cuatro piernas y tres manos con
los que se desplaza rápidamente sobre un sustrato de ADN y pasan por unas
máquinas programables que les suministran nanopartículas.
nanopartículas
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Cristian R. Munteanu
Investigador en Biomedicina
RNASA ‐ Redes de Neuronas Artificiales y Sistemas Adaptativos
TIC TIC ‐ Dept. Tecnologías de la Información y las Comunicaciones
Dept Tecnologías de la Información y las Comunicaciones
Facultade de Informática
Universidade da Coruña
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