Nanotecnología

 La célula es un universo dinámico donde interactúan una multitud de componentes a escala nanométrica. Con el fin de estudiar la estructura subcelular, se ha convertido necesario disponer de una instrumentación que permita la manipulación directa, extremadamente precisa y no invasiva. La llegada, de los láseres en los años 60, dio lugar al nacimiento de la cirugía láser. Hoy en día, la reducción del impulso láser por debajo del nanosegundo permite comprender mejor su interacción con los tejidos biológicos y controlar las intervenciones quirúrgicas con una resolución del orden de algunas centenas de nanómetros. Mediante la ionización de la materia por luz, la nanocirugía láser permite efectuar intervenciones quirúrgicas intracelulares tales como el corte de microtúbulos o de fibras sin dañar las estructuras de alrededor o comprometer la viabilidad celular. Así, el uso de láseres de pulsos ultracortos, más precisos y potentes, ofrece un nuevo acercamiento al estudio de las fuerzas biológicas o de la dinámica citoesquelética.

Las funciones celulares complejas tales como la mitosis, el crecimiento, o la diferenciación tienen lugar en dominios celulares distintos. Para estudiar la dinámica de dichos fenómenos, un acercamiento experimental clásico consiste en perturbar al sistema para estudiar los mecanismos de reacción y de regeneración a corto y largo plazo. La instrumentación convencional, como las microagujas, tienen una resolución espacial limitada al orden de las décimas de milímetro y destruyen a menudo la integridad física de la célula. A lo largo de los últimos años, ha sido pues necesario el desarrollo de nuevas herramientas que permitan un acercamiento celular preciso y no invasivo, de ahí, el reciente interés por los sistemas de cirugía láser que permiten una resolución submicrométrica y un radio de acción restringido al entorno celular directo.

Comprimiendo la duración de los pulsos luminosos a tiempos extremadamente cortos, desde los nanosegundos hasta algunas decenas de femtosegundos para los láseres más modernos, la potencia máxima de cada impulso puede aumentar en varios órdenes de magnitud conservando una energía razonablemente baja. Así se pueden inducir efectos no lineales en el medio irradiado, desde la degradación fotoquímica a la explosión mecánica y termal. Al focalizar sobre un punto del interior de un tejido o sobre la membrana de una célula, es posible vaporizar localmente el material intracelular sin que el efecto fotodestructor se extienda más allá de algunos cientos de nanómetros entorno al punto irradiado. Así, se pueden recortar de modo muy preciso citoesqueletos, u orgánulos como las mitocondrias. Esta técnica no invasiva permite una manipulación directa de la maquinaria celular con una resolución inferior al micrómetro, de ahí el término nanocirugía.

La formación del plasma de dimensiones nanométricas tiene lugar al focalizar pulsos muy cortos a través de objetivos con una gran apertura numérica (>0,9) que provocan la ionización de la materia. Este fenómeno que comienza con la liberación de un electrón por la absorción de varios fotones, se produce en cascada durante toda la duración del pulso láser, provocando una avalancha de electrones libres y descomponiendo así la materia generando un plasma. Tan pronto como ha sido formado, el plasma absorbe una parte de la luz y puede provocar ciertos efectos secundarios que contribuyen a amplificar la extensión espacial y temporal del efecto quirúrgico. Los recientes desarrollos tecnológicos de los láseres han permitido una reducción de la extensión espacial y temporal. Si bien no existe el láser perfecto en nanocirugía, hay que tener en cuenta distintos parámetros ópticos, como la calidad del haz o la extensión del foco, que determina la intensidad del haz, y por ende, la apertura numérica. En términos de longitud de onda, el uso de rayos UV-A (próximos al visible) es el mejor compromiso para reducir la extensión del haz, proporcional a la longitud de onda. Sin embargo, la penetración óptica del UV en los tejidos biológicos no supera el centenar de micras y es por ello que el uso de los láseres que emiten en el IR o visible es más eficaz para los tejidos profundos.

La nanocirugía, puede por lo tanto ser optimizada utilizando trenes de pulsos ultracortos, por debajo del nanosegundo. Ello explica el reciente éxito de los laseres de femtosegundos en cirugía con láser, porque el uso de pulsos por debajo del picosegundo, permite un mejor control del efecto deseado y de su extensión espacial. La nanocirugía se centra en el estudio y modificación de los elementos subcelulares sin afectar la viabilidad celular lo que presenta múltiples aplicaciones en biología celular, en la comprensión de las distintas etapas del desarrollo, en las interacciones funcionales entre diferentes orgánulos, o en los intercambios célula-célula.

Este artículo fue publicado el 11-Octubre-2007 a las 9.00 am por Itziar Goikoetxea bajo la categoría General, Nanotecnología y Salud. Puede obtener un aviso de los comentarios a este artículo usando el RSS 2.0 feed.

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