Nanomateriales en Enfermedades cardiovasculares

Resumen

Los nanomateriales como las superficies nanoestructuradas, las nanopartículas y los nanocompuestos representan nuevas fuentes viables para futuras terapias para enfermedades cardiovasculares. Las propiedades especiales de los nanomateriales, como sus propiedades fisicoquímicas intrínsecas, la energía de superficie y las topografías de superficie podrían mejorar activamente las respuestas celulares deseables dentro del sistema cardiovascular, proyectando un potencial creciente para la traducción clínica. El progreso reciente en nanomateriales abrió nuevas oportunidades para el tratamiento de enfermedades cardiovasculares. La traducción exitosa de nanomateriales en aplicaciones cardiovasculares requiere una comprensión exhaustiva de los nanomateriales y la biomedicina, y, por lo tanto, es fundamental hacer hincapié en los avances actuales en ambos lados. En esta revisión, los autores introdujeron técnicas de fabricación cruciales para prometedores nanomateriales para aplicaciones cardiovasculares. Esta revisión destacó los elementos clave a considerar para su fabricación, propiedades y aplicaciones. También se discuten las preocupaciones importantes relacionadas con los nanomateriales cardiovasculares, como las respuestas celulares a los nanomateriales y la toxicidad de los nanomateriales. Esta revisión proporcionó una visión general de los conocimientos necesarios y las preocupaciones clave sobre nanomateriales específicos para el tratamiento de enfermedades cardiovasculares, desde las perspectivas de la ciencia de los materiales y la biomedicina.

1. Introducción

Las enfermedades cardiovasculares (ECV) son una de las principales causas de muerte en el mundo y responsables de más de 17,7 millones de muertes en 2015, según la Organización Mundial de la Salud [1]. Las enfermedades cardiovasculares también son un problema de salud importante en los Estados Unidos de América. Afectó las vidas de 85.6 millones de estadounidenses [2]. En 2011, las ECV causaron más de 596 mil muertes y fue la principal causa de muerte en los Estados Unidos de América [3]. Debido a la alta incidencia de ECV, la necesidad de desarrollar tratamientos efectivos para ECV es urgente; y motiva la investigación y el desarrollo de biomateriales para aplicaciones cardiovasculares. La aplicación de biomateriales cardiovasculares ha tenido un gran éxito en el pasado. Por ejemplo, el stent de arteria coronaria, un dispositivo hecho principalmente de aleaciones metálicas de grado médico, mejoró significativamente los tratamientos para el ataque cardíaco al proporcionar soporte mecánico para el estrechado recipientes. En el año de 2007, se realizaron alrededor de 560,000 cirugías para colocar stents de arterias coronarias en los Estados Unidos [4]. Tales ejemplos indican algunos de los muchos biomateriales exitosos. Ahora se investiga y traduce una amplia gama de aplicaciones en ECV dentro del campo de la ingeniería cardiovascular y la medicina regenerativa, y gran parte de su éxito está fuertemente enraizado en los avances en la ciencia de los biomateriales. Dichas aplicaciones incluyen, pero no están limitadas a la entrega del fármaco objetivo, el diagnóstico de CVD, y la reparación y regeneración de los tejidos cardíacos. Está claro que los biomateriales son el núcleo de un mayor progreso para los tratamientos de CVD.

Los nanomateriales presentaron oportunidades sin precedentes para superar los límites de los biomateriales convencionales. El desarrollo de superficies nanoestructuradas, nanopartículas y nanocompuestos podría mejorar enormemente el rendimiento de los biomateriales convencionales [5,6]. Además, el progreso en el campo de los nanomateriales puede inspirar una serie de nuevas estrategias terapéuticas que podrían revolucionar el tratamiento de las ECV. Los nanomateriales tienen características de tamaño que van desde el nivel de proteína (unos pocos nanómetros) hasta el nivel celular (tamaño submicrónico), imitando la matriz extracelular y el microambiente para las células y estructuras tisulares jerárquicas [5e8]. Por otro lado, los nanomateriales tienen propiedades fisicoquímicas significativamente diferentes en comparación con los convencionales materiales. Su alta relación superficie / volumen, su alta energía y actividad superficial, así como su mojabilidad alterada podrían influir profundamente en la adhesión de las proteínas y las actividades de las células [5,6,9e13]. Además, los nanomateriales pueden lograr ciertas funciones terapéuticas que serían bastante difíciles de lograr utilizando biomateriales convencionales. Las nanopartículas, por ejemplo, pueden actuar como portadores de fármacos que pueden viajar a través del endotelio de los vasos sanguíneos. Si están funcionalizados correctamente, también pueden ingresar a las células a través de los procesos de internalización y luego administrar las drogas o los genes precargados. Además, algunas nanopartículas se pueden usar como agentes de contraste para imágenes por resonancia magnética (IRM) y muchas otras tecnologías de creación de imágenes biológicas. Ninguna de estas misiones podría lograrse fácilmente utilizando materiales convencionales.

Los nanomateriales son particularmente útiles en aplicaciones cardiovasculares, donde demostraron potenciales en varias aplicaciones. En primer lugar, el control de las señales topográficas de superficies nanoestructuradas puede dirigir selectivamente las actividades celulares [14e20]. Esta capacidad de guiado celular es muy útil en ciertas aplicaciones cardiovasculares en las que se prefieren las funciones de promoción de algún tipo de células mientras se suprimen las actividades de otro tipo de células. Por ejemplo, la implantación de stents coronarios generalmente conduce a hiperplasia neointimal [21,22]. La promoción de la adhesión y las funciones de las células endoteliales mientras se suprimen las células del músculo liso puede facilitar el proceso de curación y la formación de la capa endotelial al tiempo que inhibe la formación excesiva de neoíntima [21,22]; por lo tanto, la estimulación celular selectiva podría conducir a una endotelización mejor y más rápida. Además de las características de la superficie a nanoescala, las nanopartículas pueden servir como una plataforma que lleva múltiples grupos funcionales y brindan oportunidades emocionantes para posibles aplicaciones cardiovasculares. Dicha nano-plataforma puede integrar las funciones de focalización, formación de imágenes y terapéutica en una partícula. Además, los nanocompuestos recientemente desarrollados pueden usar nanopartículas como un componente clave para mejorar en gran medida las prestaciones mecánicas y biológicas de los implantes y dispositivos cardiovasculares actuales [23e26]. La integración de componentes a nanoescala de diferentes composiciones químicas, distintos tamaños, morfologías y funciones en un material de matriz, por ejemplo, polímeros, es un enfoque controlable y confiable para obtener propiedades complementarias deseables para las necesidades médicas.

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