DESIGN OF BIOCOMPATIBLE NANOBOTS Johann Osma, Alba Ávila Centro de Microelectrónica (CMUA) Universidad de los Andes, 2004. [email protected], [email protected] ABSTRACT The design of any biocompatible nanostructure requires a careful design process. This design not only includes the structural design of the parts, but also, a specific study of the interaction between it and biomolecules, cells and tissues. For this goal, it is important to establish an action field, a life cycle and a permanence in the organism. Counting with a design of a biocompatible Nanobot, we can evaluate the actual design rules for specific application nanostructures. These applications can vary between the attack to a specific virus to diminish the amount of any component in the blood. This article exposes the design of a biocompatible Nanobot considering mechanical, electrical and biological aspects. The mechanical study includes an analysis of the basis structure, the electrical one analyzes fabrication aspects and connections between actuators and circuits; finally, the biological study analyses aspects like life cycle and interaction with the environment. RESUMEN El diseño de cualquier nanoestructura biocompatible requiere un proceso de diseño complejo. Este diseño no solo incluye el diseño estructural de las partes, sino también, un estudio de la interacción que este tendrá con biomoléculas, células y tejidos. Para este segundo fin, es importante establecer un campo de acción claro, y por tanto un ciclo de vida, o permanencia del Nanobot en el organismo. Al contar con un diseño de un Nanobot biocompatible, se pueden evaluar las reglas de diseño existentes de nanoestructuras para aplicaciones específicas. Estas aplicaciones pueden variar desde el ataque a un virus determinado, o simplemente disminuir la cantidad de algún compuesto en la sangre. En este artículo se expone el diseño de un Nanobot biocompatible teniendo en cuenta aspectos mecánicos, eléctricos y biológicos. En la parte mecánica se analiza la estructura básica, en la eléctrica aspectos de fabricación y conexiones entre actuadores y circuitos; finalmente en la parte biológica se analizan aspectos como ciclo de vida, biocompatibilidad e interacción con el medio.

DISEÑO DE NANOBOTS BIOCOMPATIBLES Johann Osma, Alba Ávila Centro de Microelectrónica (CMUA) Universidad de los Andes, 2004. [email protected], [email protected] RESUMEN El diseño de cualquier nanoestructura biocompatible requiere un proceso de diseño delicado. Este diseño no solo incluye el diseño estructural de las partes, sino también, un estudio delicado de la interacción que este tendrá con biomoléculas, células y tejidos. Para este segundo fin, es importante establecer un campo de acción claro, y por tanto un ciclo de vida, o permanencia del Nanobot en el organismo. Al contar con un diseño de un Nanobot biocompatible, se pueden establecer nuevas reglas de diseño para aplicaciones específicas. Estas aplicaciones pueden variar desde el ataque a un virus determinado, o simplemente disminuir la cantidad de algún compuesto en la sangre. En este artículo se expone el diseño de un Nanobot biocompatible teniendo en cuenta aspectos mecánicos, eléctricos y biológicos. En la parte mecánica se analiza la estructura básica, en la eléctrica aspectos de fabricación y conexiones entre actuadores y circuitos; finalmente en la parte biológica se analizan aspectos como ciclo de vida, biocompatibilidad e interacción con el medio.

1.

Con estas dos características básicas, se puede llegar al diseño de una nanoestructura biocompatible. Este diseño dependerá en última instancia del objetivo del NBN, pero sus campos son tan amplios como la dosificación de medicinas en lugares y cantidades específicos, el ataque de un virus determinado, o incluso el tratamiento de enfermedades arteriales con la reducción o inclusión de elementos en las paredes arteriales. A continuación se expondrá un diseño básico para un BNB que tendrá como objetivo interactuar con los elementos presentes en el torrente sanguíneo de los mamíferos. Este diseño será analizado desde varios aspectos: mecánico, eléctrico, funcional y biológico, para proporcionar una visión más global de este. (ver figura 1). 2.

DISEÑO BÁSICO

Durante el diseño de un BNB se debe realizar una partición de funciones, teniendo siempre en mente la interacción de las partes con elementos biológicos. El siguiente desarrollo esta basado en la utilización de los BNB dentro del torrente sanguíneo. Es importante conocer de antemano el tipo de elementos que puede encontrar el BNB durante su estancia en el organismo portador.

INTRODUCCIÓN

Los Nanobots [1, 2] Biocompatibles [BNB], deben poseer algunas características importantes que les permita tener una buena interacción con elementos biológicos, y que además no ocasionen problemas posteriores al organismo portador. Para cumplir con la primera premisa, es importante observar los materiales de construcción de las nanoestructuras. Estos materiales deben tener el menor efecto posible sobre los elementos biológicos, aún así, es importante recalcar que los materiales deben poseer características mecánicas y eléctricas que permitan una implementación futura. La segunda característica necesaria de los BNB incluye un ciclo de vida determinado. Teniendo en cuenta que el BNB tendrá una interacción activa con elementos biológicos dentro de un organismo, es imperativo que exista un método por medio del cual, el organismo elimine a los BNB después de un tiempo. La estadía de los BNB dentro del organismo podría producir problemas en el organismo, como ausencia o exceso de alguna sustancia.

Figura 1: Módulos del BNB y sus conexiones.

En el torrente sanguíneo existen varios tipos de células, entre las que están: glóbulos rojos, plaquetas, macrófagos, granulocitos y linfocitos, estos últimos pertenecen al sistema inmunológico del organismo. En el torrente sanguíneo también se encuentran los virus que

atacan al organismo, así como las paredes arteriales que son tejidos de células. El primer módulo que necesita poseer el BNB es un sistema capaz de interactuar con estos elementos [3]. Supongamos que el BNB posee un sistema de pinzas [8] que le permitan retener cualquier célula o virus en el torrente sanguíneo. La fuerza de estas pinzas debe ser tal, que no pueda separar las células de las paredes arteriales. (ver figuras 1 y 2).

manipulación, corte o inserción de fragmentos. El diseño de los actuadores de este módulo están basados en el proceso de lectura de las células, es decir el tratamiento de las CAN por medio de proteínas que separan las cadenas, leen los ácidos nucleicos, etc. Este proceso requiere de una serie de señales eléctricas que permitan identificar al elemento por medio de su CAN. Para el caso de células del propio organismo, su CAN va a ser muy similar, por no decir igual, al de los demás elementos, en caso de virus, la CAN va a ser totalmente distinta. Este sencillo razonamiento permite una primera diferenciación entre elementos propios del organismos, y elementos invasores.

Figura 2: a) Pinzas antes de agarrar un virus. b) Pinzas en posición final de agarre.

Este módulo nos permite tener un primer contacto con cualquier elemento dentro del torrente sanguíneo, sin embargo falta un sistema que nos permita reconocer qué está entre las pinzas [4, 5]. Este módulo, que depende implícitamente de la aplicación, puede contener una serie de detectores moleculares, enlaces químicos o lectura de ARN-ADN como base [6, 7]. Para el caso de interacción con un virus determinado, el BNB debe poseer un enlace que sea complementario con el del virus para su reconocimiento. En caso que el diseño vaya un poco más allá del reconocimiento de un virus específico, tendría un sistema capaz de extraer cadenas de ácidos nucleicos (CAN) de un elemento del torrente sanguíneo. Este punto es crucial, ya que es importante determinar qué hacer con la CAN (ARN-ADN) extraída después del proceso de requerido. Si la cadena va a ser devuelta, es necesario diseñar un sistema que permita el movimiento de las CAN en ambos sentidos, en caso contrario solo se requiere un sistema capaz de extraer la CAN y dejar al organismo sin capacidad de reproducción o replicación. Nuestro diseño propondrá un sistema básico que permita la extracción de las CAN de un organismo determinado mediante la inserción de una aguja y la utilizando del principio de difusión.. Las bases de funcionamiento de este diseño pueden ser utilizadas para un sistema bidireccional más completo. (ver figuras 3 y 4). Teniendo en cuenta la manipulación de las CAN, es necesario tener un módulo que nos permita realizar un procesamiento sobre estas cadenas, es decir, lectura,

Figura 3: Modelo de posibles detectores de elementos.

Figura 4: Sensor de contacto celular. Secuencia de imágenes que muestra la presión ejercida de una célula sobre el sensor.

Para nuestro caso, el diseño se basará en la manipulación de fragmentos de las CAN y una determinación del tipo de elemento, propio o ajeno al organismo portador. Este módulo podría extenderse hasta lograr una replicación de la CAN, la eliminación de partes

de la cadena o la inserción de fragmentos en determinadas posiciones. Es importante que el BNB posea un módulo de procesamiento central que coordine las actividades de cada módulo. Este módulo, además de poseer conexión con los demás módulos, se encarga del almacenamiento de datos necesario para cumplir las tareas encomendadas al BNB. Por ejemplo dado un reconocimiento de una CAN ajena al organismo portador, una respuesta posible sería la eliminación de la cadena o del elemento (retenido entre las pinzas). (ver figuras 1 y 9). Finalmente es necesario un módulo encargado de la producción de energía. Este módulo es la fuente de alimentación del BNB, que puede ser como una batería a escalas nanométricas, o puede incluir un proceso de generación de partículas similares al ATP, copiando el proceso de generación de corriente eléctrica de las neuronas. 3.

INTERACCIÓN CON EL MEDIO

Para poder determinar el tipo de elementos empleados para la construcción del BNB, se debe tener en cuenta la posible interacción con el medio. Dentro del organismo de los mamíferos y muchos otros seres vivos, el sistema inmune está preparado para atacar cualquier elemento ajeno. Dado que nuestro BNB es un organismo ajeno al portador, es necesario que las células del sistema inmunológico no puedan detectarlo durante un tiempo. El sistema inmunológico del cuerpo [9], compuesto principalmente por los linfocitos B y T, reconoce a los elementos invasores por medio de su pared celular. Para nuestro caso, el BNB no posee una pared celular, pero si posee una cubierta, que en escalas nanométricas, se puede modelar como un conjunto de átomos o moléculas alineadas [10]. Esta cubierta nos convierte en blanco de los linfocitos [11], sin embargo no sería del todo adecuado volvernos invisibles al sistema inmune. Por un momento imaginemos que nuestros BNB se encargan de eliminar el exceso de grasa en las paredes arteriales. Después de un tiempo de tratamiento, sería lógico que los BNB fueran eliminados para evitar el debilitamiento de las paredes. Sin embargo si nuestros BNB son invisibles al sistema inmune, tendrían que poseer un sistema de autoeliminación, que en caso de falla podría provocar graves lesiones al paciente.

Figura 5: BNB cubierto por plaquetas

Es necesario determinar una estrategia que permita que los BNB sean eliminados como cualquier otro elemento extraño después de unos días. Una de las células sanguíneas son las plaquetas [12], estas poseen un extremo adherente y tiene una vida aproximada de 12 días. Si se adhieren plaquetas a la cubierta del BNB se puede tener un sistema de invisibilidad al sistema inmune de unos días. Posterior a la muerte de las plaquetas, el movimiento por el torrente sanguíneo y los macrófagos de la sangre las eliminan del BNB, volviendo a este último vulnerable. (ver figura 5). La separación de plaquetas es una técnica comúnmente utilizada para el tratamiento de pacientes que reciben quimioterapia. Utilizando esta misma técnica, se podría exponer de forma aleatoria una gran cantidad de plaquetas y BNB, y esperar que una gran cantidad de estos quede protegida y en capacidad de funcionamiento durante algunos días. Posterior a este procedimiento se realizaría la inserción de los BNB al organismo portador. 4.

CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS

Las características mecánicas necesarias y mínimas del BNB están determinadas por los elementos con los cuales puede interactuar. Dentro del torrente sanguíneo podemos encontrar varios tipos de elementos entre los cuales encontramos: glóbulos rojos (células sin núcleo), células del sistema inmunológico (macrófagos, linfocitos, etc), células del tejido que compone las arterias, virus y compuestos químicos como proteínas, azucares, etc.

Figura 7: Tubo utilizado como aguja penetradora Figura 6: Relación de tamaño de distintos elementos presentes en el torrente sanguíneo.

En la figura 6 se puede apreciar una relación de tamaños de los distintos elementos presentes. Para poder manipular células sanguíneas (~20 µm - 40µm), glóbulos rojos (~10 µm ) y virus (~100nm), es necesario establecer limitantes mecánicas para no dañar estos elementos mientras los manipulamos [12]. Una célula típicamente está compuesta en un 70% a 80% de agua y está recubierta por una membrana celular de lípidos de aproximadamente 8nm de ancho. Para poder manipular una célula es necesario presionarla, como si se tratase de una bolsa de agua sin ir a penetrar su membrana celular. Esta presión es la ejercida por los dos brazos de BNB [13, 14].

Para la penetración de la membrana celular, o de la cubierta proteica de los virus (función equivalente a la membrana celular), se diseñó un tubo (figura 7) que sea capaz de poner en contacto el interior del elemento con el BNB. Este tubo debe poseer una rigidez capaz de romper la cadena de lípidos o proteínas de las membranas y tener un largo máximo para no atravesar al elemento. Este tubo, que debe poder sobresalir del BNB una vez iniciado el proceso de penetración (figura 8), está conectado a un cilindro de mayor diámetro donde se pueden llevar a cabo procesos químicos o simplemente el almacenamiento de material celular. El proceso de interacción con una célula o con un virus, es representado por la secuencia de imágenes de la figura 9. Se puede hacer una analogía entre el tamaño de un virus y una célula y el de un balón y la cancha de fútbol. Esto hace necesario el diseño de un sistema que permita agarrar elementos con una gran variedad de tamaños, y un sistema de penetración que no exceda el tamaño de los primeros.

Figura 9: Proceso de agarre de una célula, a) la célula entra en contacto, b) los brazos se cierran, c) las pinzas presionan la célula, d) se inserta el tubo dentro de la célula.

Figura 8: Parte móvil para el contacto y penetración de los elementos.

Originalmente los virus y las células infectadas por estos, presentan en su superficie una serie de proteínas que los identifican [15]. Estas proteínas son representables como estructuras tridimensionales que poseen una estructura complementaria (como una llave y su cerradura) que sirven como sensores al BNB. Aleatoriamente alguna célula o virus se adherirá a uno de estos sensores del BNB [16]. Este contacto activará al BNB para activar el movimiento de los brazos [17, 18] agarrando al elemento. En caso de ser un elemento pequeño (virus), la parte frontal del BNB sobresaldrá hasta llegar a las pinzas de los brazos.

Surge una pregunta sobre la necesidad de los brazos teniendo un conector molecular entre el BNB y el elemento. Este sistema de brazos y pinzas permite retener al elemento mientras es penetrado por el tubo, y previene el posible cambio de la cubierta proteica del virus como mecanismo de encubrimiento al sistema inmunológico del cuerpo. Es importante recalcar que la estructura de las membranas celulares es fácilmente deformable y flexible permitiendo que elementos comúnmente utilizados para la microfabricación (poli-silicios, metales, etc.) la atraviesen gracias a su mayor rigidez [19]. 5.

MATERIALES Y DISEÑO DE ESTRUCTURAS

Cada nanoestructura del BNB debe poseer dos características fundamentales. La primera de ellas esta determinada por la funcionalidad y control de las partes. Por un lado, cada nanoestructura del BNB tiene un función determinada que debe ser controlada, y por tanto se requieren conexiones entre los actuadores y los módulos de control. Estas conexiones no suelen ser un problema en escalas milimétricas, pero en escalas nanométricas las cosas cambian. Cada conexión necesaria debe estar totalmente acoplada al actuador, es decir debe seguir la geometría del mismo. La solución más eficaz para este problema es la de incorporar una o varias capa de conexiones en la estructura física del actuador. La segunda característica que se debe tener en cuenta en el diseño de estas estructuras es la referente a la biocompatibilidad. Sabiendo que por requerimientos de espacio es necesario incorporar las conexiones a las partes, es importante darse cuenta que estas partes pueden estar en contacto con células del portador, así que es importante recubrir las conexiones con un material biocompatible. Este material debe poder ser depositados sobre las nanoestructuras y no debe afectar de forma

importante la geometría ni propiedades físicas de las mismas.

Figura 10: Estructura vertical de los componentes

Una estructura vertical [20] para los componentes es clave. Capas externas, inferior y superior de un material biocompatible, capas intermedias para conexiones y capas centrales de materiales que provean las características físicas, mecánicas y térmicas necesarias. (ver figura 10). Esta estratificación vertical permite obtener todas las características necesarias para un óptimo desempeño de las partes, respetando siempre las características biológicas necesarias. 6.

ACERCAMIENTO A LA TECNOLOGÍA

Descritos todos los parámetros necesarios para una interacción del BNB dentro del torrente sanguíneo es importante detenerse y observar la relación existente entre los diseños propuestos y la tecnología actual de fabricación. Si bien es cierto que se ha logrado un avance importante en la fabricación de MEMS [1, 7, 18] y que ya se encuentran varios diseños y modelos funcionando a escalas micrométricas, los métodos de fabricación actuales no permitirían la obtención de un BNB como el descrito en este artículo. Al referirnos a la posible interacción entre un BNB y una célula del cuerpo humano, estamos introduciendo varios conceptos biológicos y tecnológicos que deben ser examinados con mayor atención. Una membrana celular puede tener un grosor aproximado de 10 nm. Esta dimensión puede variar significativamente si tenemos en cuenta que no todas las células poseen las mismas características, eso sin tener en cuenta el continuo estiramiento y contracción del volumen celular. Para poder crear una apertura en la pared celular, no podríamos pensar en una estructura cilíndrica con un diámetro del orden de los micrómetros, porque podríamos destruir la célula en nuestro intento por penetrarla. Para poder obtener un sistema capaz de atravesar la pared celular y llegar hasta el núcleo para la extracción de las CAN, sería necesario contar con estructuras capaces de

moverse con una precisión nanométrica. Estas estructuras necesitarían además una serie de controladores de presión interna del cilindro para lograr la extracción por medio del principio de difusión. Esta claro que la tecnología de fabricación actual esta lejos de poder alcanzar este nivel de precisión, en el cual es necesario poder situar los distintos elementos del BNB a distancias de unos pocos manómetros [1]. Surge entonces la pregunta, para qué diseñar algo que no puede ser implementado con la tecnología actual. La respuesta se basa en la necesidad de establecer parámetros de diseño para BNB, en cuanto se debe tener extremo cuidado en el uso de materiales, las posibles interacciones que se puedan llevar a cabo, además de un análisis eléctrico y mecánico de los materiales a estas escalas frente a los distintos compuestos biológicos presentes en el medio. La implementación de estrategias útiles para una interacción entre partes mecánicas y biológicas, respetando los ciclos de vida y conociendo la necesidad de la eliminación de los BNB del cuerpo hospedante, es necesaria para apoyar la tecnología de fabricación que va apareciendo, ofreciendo así nuevas alternativas tecnológicas. 7.

IMPACTO AMBIENTAL

La construcción de nanoestructuras capaces de interactuar al interior de un organismo genera varias posiciones encontradas. Por un lado los investigadores y compañías desarrolladoras defienden a cabalidad el diseño y estudio de nanoestructuras biocompatibles mostrándolas como la solución a problemas médicos, como la administración de medicamentos de forma más eficiente. Por otro lado, los opositores reclaman que la interacción de nanoestructuras con organismos vivos y proteínas, puede producir cambios drásticos en la biología de los portadores, o incluso pueden llegar a crear nuevas rutas para la transmisión de virus. El modelo presentado en este artículo estipula una etapa de invasión al cuerpo por parte de los BNB, los cuales presentan una barrera natural [21, 22], el uso de plaquetas adheridas, que los protege durante unos días del sistema inmune del cuerpo. Este modelo desde un principio respeta un ciclo natural de “vida” de los BNB dentro del organismo portador, y establece la importancia de la eliminación de los mismos de forma natural, que no depende de un sistema propio de los BNB que pueda fallar en algún momento. (ver figura 11). El ciclo de “vida” de los BNB dentro del portador termina cuando las plaquetas que lo recubren, de forma aleatoria, mueren y las células sanguíneas llamadas macrófagos se encargan de eliminarlos [10, 12]. Teniendo en cuenta que la utilización de los BNB es un grupos de

un gran número de individuos, y el proceso de adherencia con plaquetas es de forma aleatoria, se esperaría que un buen número de BNB ingresen al organismo portador siendo capaces de llevar a cabo su misión. Estos BNB perderán poco a poco las plaquetas que los recubren, hasta que en algún momento se vuelven vulnerables al sistema inmunológico del cuerpo.

Figura 11: a) BNB invisible al sistema inmunológico. b) BNB vulnerable al final de su ciclo de vida.

8.

CONCLUSIONES

El uso de nanoestructuras biocompatibles como una ayuda en la medicina o a la empresa farmacéutica es una buena solución, siempre y cuando se tengan en cuenta las restricciones necesarias para no perjudicar al organismo portador. Procesos de autoeliminación o autodestrucción por parte de los BNB no deben ser una alternativa viable. Estos procesos pueden fallar y causar grandes cambios al interior del organismo, por ejemplo, en caso de encontrarse en el torrente sanguíneo, el BNB puede acoplarse con proteínas creando nuevas estructuras con consecuencias impredecibles. El objetivo de cada BNB debe ser sencillo, para no llegar a cometer errores graves en su tarea, si el BNB tiene como propósito la eliminación de grasa de las arterias, es conveniente que no manipule virus o células deterioradas en el proceso. Así mismo, las partes de cada BNB deben ser diseños totalmente adaptados a su tarea, traduciéndose en nanoestructuras con una buena planeación de materiales y procesos de fabricación. La mejor estrategia en el uso de BNB es la cantidad. Una gran cantidad de BNB es más eficiente que un número reducido de estos con funciones más complejas. Esto se traduce en un diseño funcionalmente sencillo y en menores costos de fabricación. Serán pocos BNB los que cumplan con el objetivo, muchos no quedarán bien cubiertos por plaquetas, otros serán cubiertos por plaquetas viejas, y otros tendrán fallas en su fabricación. Ese reducido número de BNB aptos cumplirá el objetivo

si se contaba con un gran número de ellos desde el principio. En la actualidad ya existen materiales y procesos de fabricación que nos permiten pensar en un modelo completo de BNB, sin embargo es necesario mejorar estos procesos. Estructuras como los nanotubos y las cadenas proteicas, son buenas alternativas en la manufactura de partes y el recubrimiento biocompatible respectivamente. Sin embargo es necesario reevaluar materiales como los polisilicios y los metales por su toxicidad en el organismo. Esta investigación aún se encuentra en desarrollo, pero pretende establecer un modelo completo de un BNB para aplicaciones en el torrente sanguíneo de los mamíferos. Este modelo desea ser probado bajo distintos puntos de vida, como lo son: el mecánico, el eléctrico, el probabilístico y el biológico. Por esta razón desde el principio de la investigación se estableció la importancia de estas áreas en el diseño y posterior fabricación de los BNB. Finalmente es importante agregar el sentido ético a la investigación con BNB. La manipulación directa del material genético de un organismo, la intromisión a escalas imperceptibles, es una tarea que debe ser llevada a cabo con un gran sentido de conciencia para evitar crear nuevas rutas de propagación de virus, o de sustancias tóxicas. 9.

EL AUTOR

Johann Osma es Ingeniero Electrónico de la Universidad de los Andes. Actualmente está vinculado con el Centro de Microelectrónica de la Universidad de los Andes (CMUA), mientras adelanta sus estudios de maestría en el área de Electrónica y Computadores. Sus áreas de interés se centran en la robótica, los procesos de aprendizaje por medio de redes neuronales y lógica difusa, el diseño de nanoestructuras y los procesos de reconocimiento por patrones físicos. 10. REFERENCIAS [1] G. Timp, “Nanotechnology”, Springer-Verlag New York, 1999. [2] R. Feynman, “J MEMS 1”, California Institute of Technology, 1959. [3] G. MacDonald, “Sensor and Actuators”, 1990. [4] N. Nielsen, “Hewlett-Packard Journal”, 1985. [5] J.P. Baker, “Hewlett-Packard Journal”, 1988.

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