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Física Medica y Bioingeniería

Panorama general de los avances mundiales en un campo científico y tecnológico en rápido crecimiento.

La aplicación a la medicina de tecnologías derivadas de la física y la ingeniería está produciendo acelerados avances en los procedimientos
de diagnóstico, control y tratamiento de las más variadas enfermedades. Se abren así nuevos campos de acción a los físicos e ingenieros y se
plantean nuevos desafios tanto a la formación de los médicos como a los sistemas de salud pública.

Como en pocas ocasiones, el enorme crecimiento cualitativo y cuantitativo de la física médica y la bioingeniería, entre las ciencias de la salud, quedaron tan de manifiesto como en la última conferencia internacional de ingeniería médica y biológica que tuvo lugar en Río de Janeiro.

Indicaremos aquí algunas tendencias actuales de la investigación en los temas discutidos, con el propósito de ilustrar a los recién iniciados o dar un pantallazo general a quienes trabajen en un área específica y deseen ampliar su panorama. Para una visión más extensa, recurrir al suplemento especial, en dos volúmenes, de la revista Physics in Medicine and Biology (1994, 39a, 1 y 2).

Entre los temas de mayor interés, se cuentan los de biomecánica, órganos artificiales y dispositivos de ayuda, e ingeniería celular. En las últimas décadas, el reemplazo de órganos o el cumplimiento de funciones deterioradas mediante elementos sustitutivos, naturales o elaborados, es una de las contribuciones más importantes de la ciencia y la tecnologia a la medicina. Estas prácticas han incrementado significativamente la expectativa de vida de personas en situaciones clinicas comprometidas, pero generan importantes problemas sociales, legales y económicos -el tema de los costos y de posibles alternativas para los sistemas de salud es uno de los más candentes-. Las limitaciones de las soluciones actuales han impulsado a la búsqueda de nuevas técnicas, que podrian llamarse de segunda generación, en las que, según el profesor Peter Rolfe, la nanotecnología se encuentra con la ingeniería celular. (Por nanotecnalogía se entiende el uso de dispositivos cuyas dimensiones se miden en nanómetros, o millonésimas de milímetros -109m-; tales dimensiones permiten actuar dentro de una célula: de allí el término ingeniería celular)

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En los últimos tiempos se produjo una transición de los órganos artificiales primitivos hacia otros, hibridas, realizados mediante el cultivo de tejidos específicos y utilizando como soporte materiales sobre los que fueron sintetizadas moléculas con actividad biológica. Es clara la relación de estos trabajos con las estudios de superficies efectuados por la ciencia de materiales. La tarea interdisciplinaria de biólogos celulares y moleculares, físicos médicos, ingenieros biomédicos y otros especialistas ha hecho posible el estudio de fenómenos celulares y moleculares en ambientes que emulan cercanamente las condiciones in vivo y ha llevado a resultados alentadores en el cultivo de telidos sanguíneos, de piel, de hígado, algunas células del páncreas, vasos sanguíneas, sistemas sensoriales, hueso y cartílago.

Ha quedado demostrada la importancia de las fioctares fisicos y químicos en los procesos de crecimiento. Por elemplo, en el caso del tejido nervioso, aplicando tensiones elásticas al medio de cultivo se logra estimular el crecimiento de dendritas. También, usando soportes hechos con materiales como policarbonatos, que permiten el crecimiento de las células en las tres dimensiones del espacio, se pueden cultivar casi todas las células sanguíneas, mientras que métodos anteriores, que permitían sólo el crecimiento bidimensianal (esto es, en una superficie), sólo posibilitaban hacer crecer algunas. Ideas similares se ensayan para estimular el crecimiento y la regeneración de cartílago.

El cultivo de neuronas sobre substratos de silicio ha permitido realizar avances importantes en la comprensión del crecimiento de las dendritas y de la interconectividad, y en la de la organización de redes neuronales naturales. Ahora es posible hacer experimentos no invasores conectando estas redes naturales a sistemas de microelectrados (producidos mediante técnicas de fabricación de películas delgadas) y estudiando la respuesta y actividad eléctrica de las redes ante los estimulos aplicados. Se han estudiada cultivos provenientes tanto de invertebradas como del cerebro de mamíferos.

La actual práctica clínica utiliza permanentemente sensores y otros dispositivos intravasculares, que pueden causar la adsorción (o retención) de proteínas sobre las paredes vasculares y, eventualmente, producir trombosis (o coagulación de la sangre dentro del vaso). Ello impulsó a una búsqueda de innovaciones en los materiales usados para fabricar tales dispositivos. Una idea que se está explorando es recubrirlos con células naturales del endotelio vascular, para lo cual se investigan distintas formas de realizar su cultivo in vitro; otra posibilidad es hacerlo can materiales sintéticos, que emulen las propiedades bioquímicas de la membrana celular.

Existen novedades sobre sistemas sensoriales artificiales. Por ejemplo, en el Japón se fabricó un laminado constituído por una ca pa de bacteriorodopsina -el pigmento fotosensible del ojo- colocada entre dos planchas delgadas de silicio. Ante el estimulo de la luz, el dispositivo produce una señal eléctrica medible; constituiría un primitivo ojo artificial, que quizás proveería una visión rudimentaria si se lograra acoplar adecuadamente esa señal eléctrica con el nervio óptico y, por ende, con el cerebro.

En todo lo referente a la fabricación de órganos sustitutivos y su implantación, es necesario investigar tanto el cultivo in vitro de distintos tipos de células sobre un substrato adecuado (usualmente polimérico), como la construcción in vivo de estructuras anatómicas sobre un soporte adecuado. Hace falta mejorar los materiales resorbibles, así como encontrar técnicas adecuadas de recubrimiento con membranas sintéticas libres de compuestos que puedan producir rechazo inmunológico (ensayos de este tipo se están realizando, por ejemplo, para poder transplantar fragmentos de páncreas porcino a enfermos de diabetes).

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En lo que hace a recubrimientos de materiales usados en prótesis o implantes óseos (como aleaciones de aluminio con titanio y vanadio), hay dos aspectos especialmente importantes, que a menudo constituyen condiciones antagónicas o, incluso, excluyentes: mejorar la adhesión y, al mismo tiempo, aumentar la resistencia al desgaste mecánico. En implantes metálicos, por ejemplo, la porosidad favorece la adhesión, pero también el ataque químico, ya que, con el tiempo, se difunden distintos elementos en la capa porosa superficial, generalmente constituida por un óxido, provenientes tanto del medio fisiológico como del substrato metálico. Tales impurezas afectan la estabilidad del recubrimiento y las propiedades físicas, químicas y mecánicas del implante, por lo que se han buscado diversas soluciones. Es posible mejorar la dureza de la superficie fundiéndola mediante un láser; se puede incrementar la resistencia a la corrosión recubriendo el metal con una capa de fosfato y añadiendo otros compuestos de manera controlada. Cuando se estudió el efecto de depositar una capa muy delgada de titanio, se comprobó que existen dos maneras de hacerlo, una que, según el procedimiento que se utilice, puede mejorarse substancialmente la resistencia al desgaste mecánico o puede incrementarse la adhesión y la resistencia al ataque químico.

Los materiales con memoria de forma (véase Ciencia Hoy, 12:24-33) han hecho posible un novedoso enfoque del tratamiento quirúrgico del aneurisma de la aorta abdominal, un problema serio originado en una alteración de la pared del vaso sanguíneo que causa su dilatación y afecta, a menudo, a pacientes ancianos, a los que pone en peligro de sufrir una hemorragia y muerte repentina. El tratamiento tradicional consiste en la sutura de un implante de dacrón en la arteria, en una operación abdominal convencional. Recientemente se ha ensayado insertar el implante y la grampa que lo fija a través de la arteria femoral, a la que se accede a la altura de la ingle. Si bien simplifica considerablemente la operación, este procedimiento no siempre es viable, ya que el paso puede ser demasiado estrecho para la grampa metálica, que tiene forma helicoidal.

Una solución ingeniosa es que la grampa sea de una aleación con memoria de forma (usualmente nitinol, por su virtualmente nula reactividad química con el medio fisiológico), la cual, a temperatura ambiente, es un alambre fino, que puede insertarse sin dificultad por la arteria y, a la temperatura del cuerpo, recupera la forma helicoidal que se le impuso previamente y que le permite anclar convenientemente el implante. Los exitosos ensayos hechos usando aortas porcinas parecen indicar que el procedimiento, mínimamente invasor en comparación con la solución quirúrgica tradicional, podría ser aplicable a seres humanos dentro de no mucho tiempo.

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Los avances en el estudio de los efectos de la aplicación de campos electromagnéticos cubren una gama amplísima de fenómenos. Hay consenso acerca de la complejidad de tales mecanismos e interés por delimitar y comprender cada una de sus etapas. Ciertos trabajos experimentales muestran la posibilidad de modificar procesos celulares por aplicación selectiva de campos eléctricos o magnéticos de determinada intensidad y frecuencia; se los ha empleado para acelerar la regeneración de tejidos o para obtener la destrucción selectiva de células cancerosas, pero se carece de una visión global, que aclare por qué se producen esos efectos y cuál o cuáles son los mecanismos físicos, químicos y biológicos que intervienen.

En la práctica clínica, cada día aparecen nuevas aplicaciones de campos electromagnéticos para determinar o medir variables fisiológicas, como las que hacen funcionar a sensores remotos o permiten el control fetal y neonatal, pero simultáneamente surgen preguntas sobre el riesgo que pueden encerrar estas mediciones basadas en el uso de campos electromagnéticos, debido a sus posibles efectos fisiológicos. También hay preocupación sobre los posibles peligros ocupacionales y ambientales de exposiciones crónicas a dichos campos, un tema del que aún sabemos muy poco.

Verónica Grünfeld

Verónica Grünfeld

Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro

Ciencia Hoy
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