Nanobiotecnología en ciencias médicas: principios y aplicaciones

Seminario de Excelencia

Nanobiotecnología en ciencias médicas: principios y aplicaciones

Departamento de Ingeniería Biomédica
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La nanotecnología, el arte de estudiar, modificar y desarrollar materiales de tamaño nanométrico, es un campo de investigación de gran relevancia en la actualidad. El inmenso potencial de las aplicaciones de los nanomateriales como consecuencia de sus múltiples propiedades y su gran versatilidad los convierte en un foco de gran interés para investigadores de áreas del conocimiento tan diversas como la medicina, la electrónica, la ingeniería química, la biológica, la ingeniería biomédica y la farmacología entre muchas otras. Estas características los hacen candidatos adecuados para la solución de múltiples desafíos que plantean diversos campos de la ciencia, en especial, su aplicación en las ciencias médicas ha permitido el desarrollo de tecnologías tales como sistemas de liberación controlada de moléculas biológicas para el tratamiento de enfermas como el cáncer, Párkinson y Alzheimer, desarrollo de sistemas para la edición génica y fabricación de nanosensores para el monitoreo de diversos parámetros fisiológicos, que exponen avances de gran importancia en la forma en la cual se ejercen las ciencias médicas en la actualidad.  
A lo largo de este Seminario de Excelencia, se abordará un contexto general del campo de la nanotecnología, en el cual se explicarán algunos conceptos globales que faciliten el entendimiento de las tecnologías emergentes y sus limitaciones. Para continuar, se realizará una exposición de algunas de las aplicaciones más relevantes de la nanotecnología en las ciencias médicas, incluyendo: sistemas de liberación de moléculas de interés biológico, terapia fototérmica y fotodinámica, tratamiento del cáncer y sistemas de edición genética. Adicionalmente, se expondrán las limitaciones más grandes de las tecnologías emergentes en estas áreas y las distintas estrategias implementadas para mitigar su impacto, específicamente se hablará de toxicidad, internalización y escape endosomal. Por otro lado, se hablará brevemente de los nanosensores y sus distintas aplicaciones en las ciencias médicas y, además, se abordarán los principios básicos de distintas técnicas de caracterización espectroscópica, físico química y biológica de nanomateriales, así como la normativa que los rige.  Finalmente, se va a concluir con una revisión de las implicaciones éticas y los retos más grandes que supone la implementación de estas tecnologías en los distintos campos de las ciencias médicas.
 

Dirigido a

Profesionales en ingeniería biomédica, ingeniería química, ingeniería electrónica, química, biología, microbiología, medicina y personal con estudios técnicos asociados a esas áreas con gran interés por la aplicación de materiales nanoestructurados para el desarrollo de distintas tecnologías con múltiples aplicaciones en las ciencias médicas. Este Seminario de Excelencia no requiere conocimientos previos detallados ni experiencia en los temas a tratar.

Objetivos

Al finalizar el Seminario de Excelencia el estudiante estará en capacidad de:
  • Comprender las bases de los métodos de síntesis empleados para la fabricación de nanomateriales, así como un entendimiento global de las múltiples aplicaciones de esos materiales en las ciencias médicas.
  • Entender los principios básicos de las técnicas de caracterización fisicoquímica y biológica más utilizadas en el estudio de los nanomateriales, así como las ventajas y desventajas que estas suponen. 
  • Comprender las limitaciones más grandes que supone la investigación en nanobiotecnología orientada a aplicaciones en las ciencias médicas y las estrategias actuales que se han desarrollado para mitigar su impacto.
  • Analizar críticamente el impacto ético del desarrollo de tecnologías basadas en nanomateriales y entendimiento de los retos más grandes que implica el desarrollo a gran escala de estas tecnologías.
  • Comprender de forma general y analizar críticamente el contenido de artículos científicos que investiguen en temas relacionados con la nanobiotecnología en las ciencias médicas.

Metodología

A lo largo del Seminario de Excelencia se brindará material de lectura que permita afianzar los conocimientos adquiridos, así como motivar al estudiante a investigar al respecto y plantear dudas que fomenten discusiones abiertas e interactivas sobre las temáticas del curso. Se organizarán grupos de trabajo deberán realizar una presentación en la cual analicen un artículo científico que estudie alguna de las temáticas expuestas en el curso. Esto permitirá a los profesores detectar fortalezas y debilidad conceptuales al tiempo que fomentará discusiones abiertas e interactivas para el aprendizaje en los distintos campos de la nanobiotecnología. 

Contenido

  1. Introducción a la nanotecnología 
    1. ¿Qué es la nanobiotecnología? 
  2. Aplicaciones de la nanotecnología en las ciencias medicas 
    1. Desarrollo de sistemas nanoestructurados para la liberación controlada y dirigida de moléculas con interés biológico.
      • Moléculas de interés biológico y los distintos vehículos nanoestructurados que se han utilizado para el transporte y liberación de las mismas. Revisión de métodos de síntesis. Ventajas y desventajas de su uso.
      • Vehículos multifuncionales que responden a estímulos de distinta naturaleza. Revisión de los estímulos que se han implementado y distintas estrategias para su uso en el desarrollo de estas plataformas.
    2. Desarrollo de vehículos para terapia fototérmica y fotodinámica.
      • Introducción a la terapia fototérmica y fotodinámica
      • Nanomateriales utilizados para el desarrollo de vehículos con aplicación específica en estas terapias. 
      • Retos y trabajo a futuro.
    3. Nano-vehículos para el tratamiento de cáncer. 
      • Introducción al cáncer: tratamientos actuales. Ventajas y desventajas.
      • Revisión de los distintos vehículos que se han utilizado para el tratamiento del cáncer.
      • Retos y trabajo futuro   
    4. Introducción a los sistemas de edición génica
      • CRISPR/CAS9
      • Revisión de vehículos utilizados como nanoplataformas para edición génica
      • Retos y trabajo futuro
    5. Grandes retos en el desarrollo de vehículos nanoestructurados para aplicación en el desarrollo de sistemas de liberación de moléculas:
      • Toxicidad
      • Internalización 
      • Escape endosomal
    6. Introducción a los nanosensores 
      • Revisión de materiales y tecnologías utilizadas y sus distintas aplicaciones en el desarrollo de nanosensores.
      • Retos y trabajo futuro.
  3. Principales métodos para la caracterización de nanomateriales. Principios básicos de las técnicas y sus principales ventajas y desventajas.
    1. FTIR
    2. TGA
    3. DLS
    4. XRD
    5. Raman
    6. Microscopía 
      • Confocal
      • SEM
      • TEM
      • AFM
  4. Caracterización biológica de los materiales: normatividad y principales técnicas utilizadas
    1. Citotoxicidad: MTT, XTT, LDH, Azul de alamar y ensayo de Live/Dead
    2. Hemolisis
    3. Agregación plaquetaria
  5. Implicaciones éticas y retos para la implementación de tecnologías basadas en nanomateriales

Profesores

Javier Felipe Cifuentes

Ingeniero Biomédico y Magíster en Ingeniería Biomédica de la Universidad de los Andes. Actualmente se desempeña como investigador en el Grupo de Investigación en Nanobiomateriales, Ingeniería Celular y Bioimpresión del Departamento de Ingeniería Biomédica de Uniandes. Los intereses de investigación de Javier incluyen la preparación de vehículos nanoestructurados para penetración celular y liberación de moléculas farmacológicas, el desarrollo de scaffolds y biotintas regenerativas basadas en matrices celulares decelularizadas y nanomateriales como el grafeno y el estudio del potencial farmacológico de derivados de extractos naturales. Javier ha publicado 9 artículos en revistas prestigiosas en el campo den los biomateriales y ha sido presentador en un sinnúmero de eventos nacionales e internacionales.

Juan Carlos Cruz

Ingeniero Químico en la Universidad Nacional de Colombia (2002) y Ph.D. en Ingeniería Química en la Universidad del Estado de Kansas (KSU) (2010) por su trabajo en una nueva plataforma para la inmovilización de enzimas para resolver retos de biocatálisis en medios no acuosos. Estancia postdoctoral en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de los Materiales de la Universidad de Johns Hopkins (2010-2011). Durante dicha estancia, Cruz trabajó en varios proyectos encaminados al uso de técnicas biofísicas de última generación para resolver preguntas en interacciones proteína-lípido. Cruz ha sido profesor de la Universidad de Antioquia, y la Universidad de Adelaide en South Australia. Es miembro del American Institute of Chemical Engineers (AIChE) y la Biophysical Society, revisor de varias revistas indexadas como Bioresource Technology, Materials Chemistry and Physics, Biotechnology Progress, Materials Science and Engineering C y Journal of Biotechnology. A la fecha ha publicado 42 artículos en los campos del desarrollo de vehículos nanoestructurados para penetración celular, nanocomposites para aplicaciones biomédicas, diseño y operación de nuevos bioreactores, desarrollo de sistemas de microfluídica para encapsulación y búsqueda de nuevas moléculas con actividad farmacológica y de membrana. Adicionalmente, ha participado como conferencista en varios eventos nacionales e internacionales. Actualmente, su grupo de investigación consta de más de 30 estudiantes y ha supervisado y co-supervisado más de 15 estudiantes de maestría en Ingeniería Biomédica, Ingeniería Biomédica e Ingeniería Electrónica.