de puntos de carbono por termólisis) y de “arri- rango infrarrojo 750 – 950 nm). Dicho núcleo estába hacia abajo” (ablación láser de microcristales recubierto con un material inerte (sílice o políme-orgánicos). Con estos procedimientos de síntesis ro) cuya superficie se decora estratégicamente conse busca obtener partículas de dimensiones na- materiales que aprovechan la sobre-expresión denométricas (5-60 nm) suspendidas en agua; las algunos receptores en la membrana de células tu-nanopartículas están conformadas por dos o más morales para conseguir selectividad hacia las mis-materiales orgánicos que otorguen al nanomate- mas; en paralelo, las nanopartículas se decoranrial características teranósticas. con otras moléculas orgánicas conocidas como fo- La figura 1 ilustra una nanopartícula cuyo tosensibilizadores que a través del proceso conoci-núcleo está constituido por un material orgánico do como terapia fotodinámica producen especiesdiseñado con alguna funcionalidad óptica espe- reactivas de oxígeno (ROS) que reducen (elimi-cífica, por ejemplo, emitir luz luego de haber ab- nan) células tumorales por necrosis y apoptosis.sorbido energía en un espectro que es útil para la En este sentido la arquitectura del nanomaterial lebiomedicina (absorción no lineal eficiente en el permite posicionarse selectivamente en el tejido 51 NC
ARTÍCULOenfermo (células cancerosas), y una vez que esto seguida en este proyecto ha involucrado cuatrose consigue se utilizan sus propiedades luminis- etapas. La primera estuvo enfocada al diseño decentes para obtener una bio-imagen de dicho te- materiales orgánicos (moléculas y polímeros con-jido por microscopia de fluorescencia. Se obtiene jugados) con propiedades fotofísicas optimizadasasí una herramienta de diagnóstico. Finalmente, tanto en bulto como en forma de nanopartícula;para que se realice terapia sobre el tejido el mate- la segunda consistió en la generación de bio-imá-rial fotosensibilizador posicionado en la periferia genes usando los materiales de la primera etapade la nanopartícula se excita por transferencia de como agentes de contraste. Un resultado impor-energía desde el núcleo (por procesos de interac- tante en esta etapa fue demostrar que es posibleción dipolar) usando también radiación infrarroja. fabricar nanopartículas de polímeros conjugados Estas investigaciones son parte de las acti- recubiertas de sílice y usarlas como marcadoresvidades del proyecto titulado “Desarrollo de nano- luminiscentes en la obtención de imágenes departiculas orgánicas para la detección y tratamien- líneas celulares de cáncer cervicouterino (ver Fi-to de cáncer” financiado por CONACyT mediante la gura 2), con la característica de ser excitadas conconvocatoria Problemas Nacionales. La estrategia luz infrarroja a bajos niveles de intensidad (muy 52
por debajo de los usados para marcadores fluo- actividad teranóstica de nuestras nanopartículasrescentes comerciales) y con bajos niveles de fo- orgánicas aplicando para ello los protocolos esta-todegradación. La tercera etapa ha estado dirigi- blecidos en las ciencias biomédicas.da a la obtención de nuevos fotosensibilizadores Los esfuerzos mencionados se han llevado apara terapia fotodinámica (especies generadoras cabo de manera multidisciplinaria (óptica, quími-de oxigeno reactivo o óxido nítrico como agentes ca orgánica, ciencias biomédicas) con la participa-citotóxicos). La cuarta y última etapa, actualmente ción de los autores de este artículos, sus estudian-en proceso, está encaminada a la validación de la tes y con la colaboración de otras instituciones.Fig 1. Arquitectura de una nanoparticula teranostica y los procesos involucrados para realizar diagnostico y terapia.Fig 2. Imagen de celulas HeLa de cancer cervico uterino obtenidas con nanoparticulas de silice dopadas con un polimero altamentefluorescente y excitadas con radiación infrarroja mediante efectos ópticos no lineales. Las nanoparticulas son usadas con agentesde contraste del citoplama (region verde en las celulas; el azul denota el nucleo de las celulas).
ARTÍCULOpuntoscuánticosen biomedicinaTZARARA LÓPEZLos puntos cuánticos (QDs) son materiales cuya conductividadeléctrica puede considerarse situada entre las de un aislante y la deun conductor y están compuestos de materiales inorgánicos, comoseleniuro de cadmio (CdSe), telurio de cadmio (CdTe), sulfuro dezinc (ZnS), entre otros. Con los puntos cuánticos se puede obtenerluz que el ojo puede ver desde el color violeta (400 nm) hasta el rojo(750) al ser excitados con una sola fuente de luz violeta (390). Aun-que es posible obtener emisiones donde el ojo no lo ve ( alrededorde 1000 nm). El color de la emisión del punto cuántico depende del tamaño( 2-10 nm) y del tipo de punto cuántico. La longitud de onda de emi-sión o color de la luz, está relacionada al tamaño del punto cuántico,entre más grande sea mayor la emisión de la longitud de onda (parala misma longitud de onda de excitación). Por ejemplo, un punto cuántico de CdSe de 3nm emite luzverde ( 520nm) mientras que uno de 6 emite luz roja ( 630 nm ),como se muestra en la Figura 1. Esta figura muestra puntos cuánti-cos de CdSe con diferentes tamaños preparados en el Grupo de Na-nofotónica y Materiales Avanzados del CIO. 56
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ARTÍCULOFigura 1. Puntos cuánticos de CdSe excitados con una fuente de luz violeta (390 nm).Actualmente el uso de puntos cuánticos bio-con- los QDs es su foto-estabilidad y su resistencia aljugados (QDsB) están siendo ampliamente inves- foto-blanqueo, que los colorantes actuales usadostigados para ser usados en biomedicina como: no lo tienen haciendo estas características al pun-marcadores, sensores y liberadores de fármacos to cuántico un buen candidato en biomedicina.principalmente. Uno de los materiales más investigados Con los QDsB se puede realizar una detec- para ser aplicados en biomedicina como marca-ción temprana además de poder realizar terapia dor son los puntos cuántico coloidales en agua dedirigida solamente en el daño, dando ventaja a las CdTe, CdSe, ZnS con capas superficiales de ácidotécnicas actuales. Otra de las ventajas de los pun- tioglicólico (TGA-CdTe).tos cuánticos es la calidad de la imagen obtenida En el Grupo de Nanofotónica y Materialespor fluorescencia con una excelente intensidad, lo Avanzados del CIO se están investigando nuevosque permite monitorear pocos puntos cuánticos procesos de síntesis de puntos cuánticos de ZnS,dentro de la célula y/o tejido dañado. CdSe, CdTe, ZnSeS, con el propósito de obtener El interés de usar puntos cuánticos en me- QDs que emitan luz con buena brillantez, estabili-dicina es también debido a su tamaño (2-10 nm), dad química y óptica. A estos QDs se les está recu-a su buena dispersión en agua, sin perder sus in- briendo con capas biocompatibles y específicas ateresantes propiedades ópticas dando ventaja a proteínas de cáncer de mama, cérvix y de boca sinun multi-marcado de una sola célula o tejido con perder la calidad óptica y química. En la Figura 2el propósito de obtener un buen contraste en la se muestra una célula de boca marcada con puntosimagen de una célula y por lo tanto un buen diag- cuánticos sin bioconjugar de TGA-CdTe mostrandonóstico. Otra de las grandes ventajas que tienen su morfología y estructura celular (lado izquierdo). Figura 2. Imagen de células epitelial con puntos cuánticos ex- citadas con una luz con longitud de onda de 390 nm (figura iz- quierda). Imagen de célula sin puntos cuánticos (imagen dere- cha). (La escala de la barra es de 100 µm). 58
En el grupo también estamos estudiando la inte- diferentes intensidades de daños celulares debi-racción de puntos cuánticos recubiertos y sin re- dos a los puntos cuánticos en diferentes tipos decubrir con capas bio-compatibles al ser introdu- células por medio de imagen, como se muestra encidos en células animal y de plantas observando la Figura 3 y 4.Figura 3. Imagen por MET de células de la Microalga Haematococcus Pluvialis (MHP) (e) MHP, (f) MHP-QD, (g) estresada-MHP,(h)estresada-MHP-QD. La escala de la barra es de 20 mm.Figura 4. Imagen de microscopia confocal multifotónica de células de microalgas: HPM y HPM estresada (SHPM) con y sin puntoscuánticos. (La escala es 20 µm). 59 NC
Otra de las investigaciones que estamos realizan- Referenciasdo es el estudio del comportamiento de diferen- 1. López-Luke T, Appl. Spectroscopy, 2016, 70(9),tes puntos cuánticos bio-compatibles en la célula p. 1561entendiendo la química de las células dañadas ya 2. López-Luke T, J. of Biophotonics 2016, 7(9), p.que interaccionan de diferente manera los puntos 683cuánticos entre las células sanas y dañadas. Conestos estudios podemos inferir en nuevos posi- Agradecimientos: Elisa Cepeda, Elder de la Rosa, Ana Isabelbles fármacos con especificidad para lograr una Sánchez, Ana Lilia González-Yebra,Valeria Piazza, Ramonterapia con éxito, sin dañar células buenas, como Carriles, Nancy Ornelas, Juan Vivero- Escoto, Arturo Ponce ylo hacen los medicamentos actuales. El enten- Miguel José-Yacamándimiento de la interacción entre las células y lospuntos cuánticos esta siendo llevado a cabo tam-bién por medio de espectroscopia Raman, FTIR,entre otras técnicas, véase las referencias siguien-tes (López Luke T, et.al.).
ARTÍCULOdiabetes ENRIQUE CASTROLa diabetes es una enfermedad crónica, caracterizada por la inca-pacidad del cuerpo para regular los niveles de glucosa en la sangre.Los altos niveles de glucosa tienen como consecuencia, en el largoplazo, el deterioro de diversos órganos. Una de las consecuenciasmás comunes es: el deterioro vascular de los pies que es seguido porun deterioro neurológico. La combinación de una irrigación y sensibilidad disminui-das, en muchos casos tiene por consecuencia la aparición de úlcerasacompañadas de infección, que a su vez desenlazan en muchos casosen una amputación. La evaluación del pie diabético en etapas tempranas, es de-cir, antes de que se presente una úlcera, se hace primordialmenteusando el método conocido como monofilamento, en el cual el piedel paciente es presionado con una escobilla flexible sin que el pa-ciente vea, dependiendo del número de veces que el paciente falleen reportar la sensación de la presión del monofilamento el médicodetermina la presencia de un deterioro neurológico. Este método essencillo y económico, pero desafortunadamente, es subjetivo y noes cuantitativo. 62
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En el Grupo de Ciencia y Aplicaciones de Terahertz Guanajuato, del ISSSTE y un grupo de voluntariosdel CIO, se propuso usar imagen espectroscópica del propio CIO, con resultados alentadores. Estaen la banda entre 100 y 500 GHz (150 μm a 3mm) investigación fue publicada en https://www.na-para evaluar la hidratación superficial de la piel ture.com/articles/srep42124en la planta de los pies, que a su vez, es un indica- Aún cuando estos resultados son alentado-dor de deterioro vascular y de fragilidad de la piel res, el estudio reportado es apenas una prueba decomo un método cuantitativo y objetivo del dete- concepto, y se continúa trabajando para realizarrioro del pie y del riesgo de desarrollar una úlcera. las pruebas clínicas que validen este método y que Hasta ahora el método fue probado en un permitan llevar esta tecnología a los hospitales ygrupo de pacientes del hospital regional de León, clínicas en el país y el mundo. 65 NC
ARTÍCULO laboratorio demuestras biológicas VALERIA PIAZZA 66
El término ciencia de las muestras biológicas La mayoría de las muestras biológicas no peligrosas(o biospecimen science, por su uso en inglés), pueden ser almacenadas y usadas en el laboratoriocomprende todas las prácticas y los protocolos de Biofotónica: plantas, tejidos, líneas celulares yque se usan para colectar, procesar y almacenar hasta algunas cepas de bacterias y hongos.este tipo de muestras *. No obstante que el traba- A continuación, se muestran dos ejemplos dife-jo de investigación con muestras biológicas (pro- rentes de proyectos donde se emplean muestrasvenientes de seres vivos) se realiza desde hace biológicas que se están realizando gracias a lacientos de años. disponibilidad de este laboratorio: Recientemente ha crecido la preocupa- 1. En el proyecto en colaboración con lación de homogeneizar los procesos para que las UGTO “las ratas TAIEP como modelo de enfer-muestras sean las adecuadas al trabajo a reali- medades neurodegenerativas humanas” se estázarse, de calidad suficiente y los protocolos sean caracterizando la causa molecular de la enfer-suficientemente claros y establecidos para ser medad que sufre una cepa de ratas que surgió decompartidos, por ejemplo, entre laboratorios en manera espontánea en un laboratorio en México.países diferentes. Los síntomas que padecen estas ratas se parecen El laboratorio de Biofotónica en el CIO a los de muchas enfermedades desmielinizantesofrece a los investigadores la infraestructura y los humanas, por esta razón el conocimiento detalla-equipos para el manejo de muestras biológicas, do de lo que genera la enfermedad podría con-proporcionando entre otras cosas, sistemas de tribuir a definir un valioso modelo patológico yconservación en frío, espacios para manipulación farmacológico para el diagnóstico y tratamientode muestras, equipos para corte de tejidos y un de las correspondientes enfermedades humanasárea para el cultivo celular. (Esclerosis Múltiple, adrenoleucodistrofias, etc.). 67 NC
En el laboratorio de Biofotónica se procesan los tejidos provenientes de ratas sanas y enfermas, conel propósito de comparar la anatomía celular y tisular por medio de microscopía confocal. Además,recientemente se ha empezado a realizar análisis genético a partir del tejido murino para buscar la olas mutaciones que provocan este cuadro patológico (fig 1).fig 1: A la izquierda, sección de cerebelo de rata TAIEP de 1 mes. En verde evidenciados los neurofilamentos, en rojo la tubulina β3y en azul los nucleos de las neuronas. Objetivo 25X. A la derecha, cromatogramas que comparan la sequencia génica de las ratassanas (arriba) con la de las ratas TAIEP, en la región de una de las mutaciones encontradas. 68
2. En otro proyecto, el objetivo es estudiar la diferenciación de los precursores de las células quedetectan las señales auditivas en el oído. La pérdida de células auditivas por exposición a ruido, en-fermedades de origen viral y uso de medicamentos ototóxicos es causa de sordera somato-sensorialpermanente, ya que estas células no se regeneran en los animales adultos. Todas las terapias de re-cuperación auditiva dependen de poder implantar células sensoriales nuevas o poder estimular sugeneración directamente en el oído y para ambos casos es necesario poder controlar la diferenciaciónde los precursores sensoriales. Los experimentos se están llevando a cabo con células madre pluripo-tenciales que cultivamos en el CIO y observamos con microscopía de fluorescencia y con técnicas deinterferometría para la cuantificación del volumen celular. (fig 2)fig 2: A la izquierda, imagen capturada al primer día en cultivo de células madres pluripotentes, a la derecha imagen capturada alquinto día en cultivo. Estos precursores celulares forman otosferas multicelulares de mas de medio milímetro de diámetro en sietedías de cultivo. 69 NC
RECUADROaplicaciones médicas de laimpresión 3dVICENTE ABOITESLa impresión 3D está causando una revolución impresión 3D ya han sido realizadas utilizandoen el mundo de la medicina que sin duda cambia- materiales que no solo son biocompatibles sinora nuestras vidas. Algunas de las más impactantes que tienen una estructura semejante a la del hue-aplicaciones son las siguientes: so natural. Una idea de la magnitud del mercado se puede tener considerando como ejemplo que1.- Impresión 3D de aparatos de audición. Desde la compañía Oxford Perfomance Materials consi-1998 se está aplicando la tecnología de impresión dera que entre trescientos y quinientos pacientes3D para la manufactura de aparatos de audición. requieren de operaciones de cráneo mensual enEste proceso consta de tres pasos: escaneo, mode- Estados Unidos.lado e impresión. 4.- Impresión 3Dde prótesis. Actualmente ya es2.- Impresión 3D en odontología. Esta tecnología común encontrar prótesis de brazos, piernas yha revolucionado la odontología desde hace diez manos impresos en 3D. Así mismo los enyesadosaños pues permite hacer cosas que era difícil o impo- típicos requeridos después de una fractura ya es-sible hacer sin ella. tán siendo sustituidos por estructuras igualmente rígidas pero más ligeras, ventiladas, lavables y con3.- Impresión 3D de elementos del sistema óseo. atractivos y estéticos diseños (con estos diseñosOperaciones en las que hasta el 75% del cráneo sus hijos fracturados verdaderamente sentirán serha sido sustituido por implantes realizados por un superhéroe como el “hombre araña”).12 34 70
premio nobel defisiología o medicinael funcionamiento de nuestro reloj internoALFREDO CAMPOS 72
La vida en la Tierra ha evolucionado siendo ex- ¿qué había adentro de ese reloj biológico?, ¿cómopuesta a los ciclos periódicos de luz y oscuridad funciona y qué lo controla?que forman parte del día. Estos ciclos se producen El premio Nobel de Fisiología o Medicinapor el giro de nuestro planeta alrededor de su eje 2017 le fue otorgado a Jeffrey C. Hall, Michael Ros-de rotación, y los seres vivos nos hemos adaptado bash y Michael W. Young por sus descubrimientosfavorablemente a ello para llevar a cabo nuestras acerca de los mecanismos que controlan el ciclofunciones y sobrevivir. Por ejemplo, diariamente circadiano a nivel molecular. Dicho reconocimien-experimentamos variaciones de sueño, apetito, to es entregado a las personas que han contribui-niveles hormonales y temperatura corporal. A los do de manera sobresaliente a aumentar nuestracambios físicos, mentales y de conducta experi- comprensión sobre el funcionamiento de los seresmentados a lo largo del día por los organismos se vivos o cuyos descubrimientos conduzcan a hallarles conoce como ciclo circadiano, (del latín circa, la cura a una enfermedad.que significa “alrededor de” y dies, que significa Usando a la mosca de la fruta como organis-“día”). Se sabía que había un reloj interno al que mo modelo, los ganadores del premio Nobel de estelos seres vivos ajustaban sus funciones en un ciclo año aislaron un gen que controla ese reloj interno.de aproximadamente 24 horas de duración, pero Mostraron que este gen codifica una proteína que se 73 NC
ARTÍCULOacumula en las células durante la noche y es degra- na intrínsecamente fotosensibles), se controla ladada durante el día. Posteriormente, identificaron liberación de una hormona en el torrente sanguí-otros componentes de las proteínas de dicho reloj, neo llamada melatonina. Durante el día (cuandorevelando el proceso que gobierna a su mecanismo hay mucha luz), se produce muy poco melatoni-auto sustentable dentro de la célula. En el interior na, lo que le comunica a las células de nuestrode otros organismos existen también relojes bioló- cuerpo que es de día (a pesar de que nosotros logicos que funcionan bajo los mismos principios. sepamos). A medida que cae la noche (aumenta Para mantener a nuestro reloj interno en la oscuridad), los niveles de melatonina se incre-sincronía con el periodo de rotación de nuestro mentan en nuestro cuerpo, alcanzando un picoplaneta, la luz juega un papel fundamental. A máximo en la madrugada para caer de formatravés de células especializadas en nuestro ojo abrupta al amanecer, preparándonos así para una(conocidas como células ganglionares de la reti- nueva jornada. 74
Nuestra salud física como mental se ven afecta- potencial para influir en dicho reloj biológico y de-das cuando existe un desajuste entre nuestro reloj sarrollar medicamentos para tratar algunos tras-biológico y el ambiente exterior, por ejemplo, al tornos relacionados con él.viajar a un país lejano (lo que se conoce como jetlag). Estudios recientes han mostrado que un des- Más información en el siguiente enlace: https://ajuste crónico entre nuestro reloj interno y el ciclo www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/lau-natural de día y noche provocado por nuestro es- reates/2017/press.htmltilo de vida aumenta el riesgo de contraer variasenfermedades. Los descubrimientos de Hall, Rosbash yYoung acerca del funcionamiento molecular delreloj interno de los seres vivientes abren un nuevo 75 NC
publicacionesrecientes FOTOGRAFÍA PUBLICACIONES 76
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