Una de plasmones…para desayunar con Javier Aizpurua (parte II)

Llevábamos hablando casi una hora y todavía nos quedaban muchos temas por comentar. Nos habíamos centrado en aspectos fundamentales sobre la luz y la nanofotónica, habíamos descrito qué es un plasmón (una excitación colectiva coherente de electrones deslocalizados en una estructura metálica) y cómo podemos hablar de una plasmónica, “la ciencia y tecnología de generación, control y sintonización de plasmones para tratar aspectos de la óptica y de la electrónica y plantear múltiples aplicaciones”. Estábamos hablando de tiempos muy cortos (femtosegundos, 10-15 segundos), de problemas de disipación, de atenuación, de nanopartículas, de medición de señales… Surgió entonces la pregunta ¿Existe algún límite tecnológico para el desarrollo de esta plasmónica?, porque en los últimos diez o quince años la plasmónica ha experimentado un avance terrible. “Escribí hace cinco años un review, y en el table of contents, la figura de entrada apuntaba los tres aspectos impulsores de la plasmónica: 1) la fabricación; 2) la caracterización; y 3) la comprensión”.

Precisamente este tercer punto es en el que Javier y su equipo han realizado contribuciones notables en los últimos años, “cada vez entendemos más los fenómenos, tenemos mejores métodos, simulaciones… Sin embargo, yo ahora te he contado el proceso más sencillo: a una partícula le llega la luz, se excita y re-emite. Esto se entiende bien. Pero, ¿qué pasa cuando pones dos? ¿O cuando pones una molécula? ¿O cuando una molécula se excita aquí, pasa la energía al plasmón y éste se la pasa a una molécula de más atrás? Hay cantidad de interacciones materia-luz que van haciendo más complejos los procesos”.

Cuando dos nanopartículas metálicas se acercan quedan separadas por un gap subnanométrico, se produce un cambio de color al producirse un efecto túnel cuántico, que se ha bautizado como ‘beso cuántico’.

Nos detuvimos un momento en el primero de los aspectos. “Uno de los secretos en los que radica el desarrollo de la plasmónica, tal y como lo veo yo, es precisamente la capacidad de fabricar nanoestructuras, de ‘construir’ esas nanoantenas”. Es decir, la posibilidad de realizar ciencia e ingeniería de plasmones está condicionada por las capacidades de nanofabricación. “Totalmente. Que además tiene una doble vertiente. Una aproximación química, de wet chemistry (química coloidal): es lo que se llama química sintética inorgánica, y la plasmónica le ha dado vida, porque ahora hay un montón de departamentos de química inorgánica que están dedicados a mezclar diversos compuestos metálicos en solución para crear sus nanopartículas, con distintas formas, distintas propiedades y demás”. Esta aproximación es lo que se conoce como nanofabricación bottom-up. “Luego hay otra aproximación, como por ejemplo hacen en CIC nanoGUNE y otros centros, donde hay máquinas muy complicadas capaces de esculpir la materia en la nanoescala a base de nanocinceles compuestos de electrones, protones y demás, realizando una auténtica nanolitografía. Es un método muy costoso, por la precisión que requiere, la energía que se necesita, etc. Y esto ha tenido también un boom, porque cada vez se pueden hacer nanoestructuras con más fidelidad, más ajustadas, más pequeñas…”. Esta aproximación es lo que se conoce como nanofabricación top-down. “Y respecto a los límites, en fabricación litográfica ahora mismo están en cinco nanómetros de separación, no pueden ir más abajo. Pero en química inorgánica pueden lograr el control de prácticamente  cualquier distancia, mediante separadores moleculares específicos. Al final el objetivo último es poner lo que quieres, donde quieres, cuando quieres y como quieres. Y en tanto en cuanto seas capaz de hacer eso, tienes múltiples posibilidades. Pero todavía hoy existen grandes límites, porque no puedes poner lo que quieres, como quieres, donde quieres y cuando quieres.” Este es, en palabras del difunto Heinrich Rohrer, Premio Nobel de Física, el gran reto de la nanotecnología: crecer una estructura dada, en una posición determinada para una función específica.

“También ha habido un desarrollo de las técnicas de caracterización en tiempo. Cada vez hay más técnicas de espectroscopía que nos permiten obtener información sobre la dinámica de los plasmones en las nanoestructuras cuando éstas son excitadas con luz y en consecuencia de la nanoestructura misma, y así ponemos a prueba nuestras investigaciones teóricas”.

En este punto de nuestra conversación, llegó el momento de hablar de las aplicaciones. Es inevitable en toda entrevista con un científico que se le pregunte por las aplicaciones de su trabajo, aunque se trate de un investigador en lo que se denomina ciencia fundamental, como es el caso de Javier. Parece que un trabajo de investigación que no tenga alguna aplicación tiene menos valor, si es que se considera que tenga alguno. Si así fuera, la investigación en plasmónica tendría mucho valor, porque hay muchas aplicaciones.

“Te cito algunas aplicaciones fundamentales: microscopías, espectroscopías, energía, información cuántica… Porque en todo en lo que puedas hacer ingeniería óptica normal, de tratamiento de señal óptica, ahora lo puedes extrapolar y hacerlo en la nanoescala. Por ejemplo, una sonda metálica nos permite localizar la luz como te dije antes (ver Primera parte), en la nanoescala,  gracias a los plasmones. Lo que tenemos es esa ‘pseudoluz’, que es una nueva forma de luz, pero muy localizada, y la podemos utilizar como si fuera una nanolinterna, desplazándola sobre una superficie y enviando la información a un detector. De esta forma obtenemos una imagen de la superficie con resolución nanoscópica”. Pero todavía podemos hacer más… “Con esa misma nanolinterna ahora podemos sacar información de las vibraciones de una molécula y detectar si está o no está en la superficie que barremos”. Efectivamente, las vibraciones de una molécula son huellas digitales de cada una de ellas, “como aparece en CSI: si salen ‘estos picos’, entonces ‘tenemos tal sustancia’. Los picos te dicen que hay una vibración a esta energía y a esta otra energía, y eso es específico de una sustancia. Es su código de barras; si están esos picos, esa molécula está”. Ahora podemos bajar los límites de detección de sustancias ¿Cuál es el límite mínimo? Respuesta tajante “una molécula de una sustancia. Si hay una molécula, está esa sustancia. Si no la hay, es que no está. Podemos llegar a ponernos con esta nanolinterna encima de una única molécula y decir ‘veo su código de barras, veo los picos como en CSI, hay una molécula’. ¿No está esa molécula? No veo el pico. Acabo de detectar la cantidad mínima detectable de una sustancia, que es una sola molécula. Es decir, bajamos el límite de detección a la cota mínima”. Hablaba con tal decisión que le pregunté si esta tecnología espectroscópica está disponible en cualquier laboratorio.  “Eso se hace de momento académicamente. Lo normal es detectar cientos de miles de moléculas, que es todavía muy poca cantidad de material, con estas puntas de manera más rough. Una molécula sola requiere ultra alto vacío, es muy académico, todavía. De hecho, hasta la fecha esto sólo se ha conseguido en un laboratorio Chino, en Hefei, con el cual, por cierto, colaboramos. Se requiere un salto tecnológico que no lo hace factible en un laboratorio clínico. Todavía no existe el microscopio de detección de una sola molécula. Un laboratorio clínico lo que hace es pasar por un montón de moléculas y detectar el pico. La nanotecnología ayuda en esa línea, va por ese camino”.

Representación esquemática de un microscopio óptico de campo cercano de barrido por sonda 'SNOM'. La imagen reconstruye la topografía de la superficie barrida por una punta que ilumina la superficie recogiendo la luz evanescente re-emitida.

Representación esquemática de un microscopio óptico de campo cercano de barrido por sonda ‘SNOM’. La imagen reconstruye la topografía de la superficie barrida por una nanopunta que ilumina la superficie recogiendo la luz evanescente re-emitida.

Las nanoantenas se pueden distribuir en los materiales semiconductores de los que están hechas las células fotovoltaicas para capturar mejor la ‘luz desparramada’ que incide sobre ellas, inducir más excitaciones electrónicas en el semiconductor y así aumentar la generación de energía eléctrica. Javier también me explicó cómo se puede transmitir y procesar la información de forma mucho más rápida utilizando plasmones. Incluso apuntó que su grupo está trabajando en la investigación de cómo utilizar los plasmones como mediadores fiables para la transmisión de información cuántica, es decir, preservando la coherencia de los estados cuánticos que constituyen dicha información cuando ésta viene dada en forma de fotones… Ciertamente es un campo fascinante e inagotable. Entre las muchas aplicaciones del trabajo de Javier y sus colaboradores se encuentran las aplicaciones médicas y, en particular, para desarrollar nuevas estrategias terapéuticas contra el cáncer.

Nosotros colaboramos con gente en Houston que hacen una investigación muy transversal que involucra a químicos, físicos y médicos. En particular, la clínica Anderson en Houston colabora con físicos y químicos de la Universidad de Rice. Ellos tienen un programa de desarrollo de lucha contra el cáncer mediante termoterapia plasmónica que consiste en destruir células de un tumor por calor”. En la termoterapia plasmónica no se trata de recoger la señal óptica de las nanopartículas cuando son excitadas por luz, sino de aprovechar el calentamiento inducido por los plasmones que decaen sin emisión de fotones y provocan un aumento de la temperatura en la nanoestructura metálica (induciendo vibraciones en los átomos).

“Uno de los grandes problemas está en cómo hacer llegar tus nanocontainers, partículas o emisores de calor, hasta las células del tumor. Hay diversas maneras pero me voy a referir a la original. Cuando se introducen nanopartículas metálicas (típicamente  de oro, que es muy biocompatible) en el riego sanguíneo, el propio riego sanguíneo tras unas tres o cuatro horas hace que de manera natural se acumulen estas partículas en la zona tumoral con muchísima más densidad que en cualquier otra parte. Nos estamos refiriendo, por cierto, a tumores muy localizados, que están muy vascularizados. Mediante un efecto de permeabilidad, se acumulan en las células del tumor. También se acumulan en el hígado y en los riñones, pero, como son partículas de oro biocompatibles, se eliminan por orina y heces de manera normal y no pasa nada. A  las tres o cuatro horas de la inoculación de una dosis muy pequeña de oro biocompatible, hay una acumulación de nanoantenas distribuidas por todo el campo de vascularización del tumor; lo único que hay que hacer es llegar hasta allí y calentar esas nanoantenas, es decir, captar energía de una fuente de luz, excitar plasmones y dejar que estos decaigan provocando vibraciones, es decir un aumento de temperatura, calor”.

Representación esquemática de nanocáscaras de oro: consiste en una nanoesfera de sílice recubierta por una fina capa de oro. Se producen cargas en ambas paredes y entonces el plasmón se acopla desde una cara a la otra de la nanocáscara: es un plasmón muy localizado. Cuanto más fina sea la pared más se corre la resonancia hacia el rojo.

Representación esquemática de nanocáscara de oro: consiste en una nanoesfera de sílice recubierta por una fina capa de oro. Se producen cargas en ambas paredes y entonces el plasmón se acopla desde una cara a la otra de la nanocáscara: es un plasmón muy localizado. Cuanto más fina sea la pared más se corre la resonancia hacia el rojo.

Y aquí es donde interviene el trabajo teórico. En efecto, hay que estudiar el tamaño y la forma de las nanopartículas para que se sintonicen con luz incidente, “para que sean más efectivas en un rango energético que es lo que se llama la ventana de transparencia de un infrarrojo cercano, alrededor de los 1.000 nanómetros. Estas partículas son nanocáscaras de oro especiales diseñadas para que resuenen en el infrarrojo”. Pero, ¿por qué en esa ventana del infrarrojo? “porque en esta ventana es en la que el agua y los tejidos humanos absorben menos y se puede penetrar con luz infrarroja hasta unos diez centímetros. Con luz visible no se penetra tanto, porque los tejidos la absorben enseguida. Además esa radiación es inocua. Otra posibilidad es ser un poco más invasivo y entrar con una fibra óptica. Aún así, no se trata ni de una jeringuilla ni de radiación, es un pequeño pinchazo para introducir una fibra óptica para hacer llegar la luz. Entonces, se envía la luz, se excitan los plasmones, se calientan mucho las partículas, que se han localizado en la células del tumor, y así se acaba con el mismo: literalmente, se quema el tumor. A grosso modo, la aproximación de orden 0 es esa”.

Síntesis de nanocáscaras de oro. Una nanoesfera de sílice se va recubriendo con una fina capa de oro.

Síntesis de nanocáscaras de oro. Una nanoesfera de sílice se va recubriendo con una fina capa de oro.

Existen tumores que no tienen una vascularización tan buena y las partículas no van a llegar a ellos simplemente introduciéndolas en el riego sanguíneo sin más. “En efecto, hay que funcionalizarlas, es decir, rodear estas partículas con unas moléculas que hacen de target de un receptor X, de manera que las células cancerosas las capten y las cacen. Luego se vuelve a hacer lo mismo, se ‘enciende’ la luz y se mata las células cancerosas”. Hay otro tipo de termoterapias que no son fotónicas, en las que en vez de utilizarse partículas metálicas como nanoantenas plasmónicas se utilizan partículas magnéticas. “Lo que se hace es guiar a las partículas magnéticas con un imán hasta el mismo tumor. Y una vez las haces llegar al tumor, se aplica un campo magnético muy fuerte y por excitación magnética las partículas se calientan quemando el tumor”.

Representación esquemática de un tumor de mama tratado mediante termoterapia plasmónica: las nanocáscaras de oro están diseñadas con el espesor de oro adecuado para que, al interaccionar con luz infrarroja, se exciten plasmones que al decaer calientan la nanestructura y queman las células cancerosas que las han absorbido.

Representación esquemática de un tumor de mama tratado mediante termoterapia plasmónica: las nanocáscaras de oro están diseñadas con el espesor de oro adecuado para que, al interaccionar con luz infrarroja, se exciten plasmones que al decaer calientan la nanestructura y queman las células cancerosas que las han absorbido.

Nos encontramos ante nuevas terapias contra el cáncer, pero ¿cómo de cerca están estas técnicas de llegar al paciente? “Yo conozco al personal involucrado en el desarrollo de este proyecto en Houston, a Naomi Halas, y allí llevan años con esto. La FDA tiene una serie de protocolos que hacen que este tipo de terapias tarde en llegar a los hospitales. Y eso que este tratamiento, al no ser un fármaco químico sino un dispositivo físico, requiere menos regulaciones, pero a pesar de todo son muchas. Hay dos fases de regulación. La primera es la de toxicología. Se han pasado cuatro o cinco años aumentando hasta diez veces la dosis de partículas inoculadas a la gente para ver cómo responden, y a mí me han dicho extraoficialmente que los experimentos van muy bien, que se puede tolerar hasta diez veces más de oro en el organismo y que éste lo elimina y lo metaboliza sin ningún problema. La otra fase es la fase clínica, y consiste en ver cómo progresa el tumor cuando se trabaja con estas nanopartículas. Se han hecho tratamientos in vivo en ratones inoculados con carcinoma de colon. Los ratones del grupo de control en el que no son tratados mueren a los diez días. Los que son tratados con láser pero sin las nanocáscaras mueren también en el mismo tiempo. Y el 100% de los que son inoculados con cáscaras y luego tratados con la ‘linternita’ sobreviven. El cáncer de colon se quema y queda eliminado”.

También hay pruebas clínicas con personas. “Hay indicios de resultados clínicos, clinical trials, con gente que ya está desahuciada y se presta a ese tipo de experimentos, que tiene cánceres de mama, de cuello y de cerebro muy localizados, y parece que los resultados son muy buenos. A propósito, yo llevo seis años ya con este tema y los últimos resultados eran ya de hace tres”. Sin embargo, todavía no es una estrategia terapéutica que esté disponible en clínicas y hospitales. “No, sólo está disponible de manera experimental en tres clínicas de Tejas: en San Antonio, en Austin y en otra más. Y esto es debido a que el protocolo es muy estricto. Tiene que haber tres estudios clínicos independientes, para 3 tipos de cáncer, etc. Hay una serie de procedimientos que se están siguiendo y cuando se vea que los resultados son favorables, se podría empezar a implementar. Pero aún no se sabe qué va a pasar”. Si es algo tan bueno, tan sencillo y tan inocuo, extraña que no esté ya en la calle. “A mí de decían que el proceso administrativo de la FDA es terrible hoy en día incluso para una cosa como ésta”.

Al final, para responder a un reto tan complejo como es, en este caso, la cura del cáncer, hacen falta muchísimas capacidades, recursos, inversiones, etc. y el papel de un investigador o el de un grupo investigador queda muy diluido… “Con lo último que he contado, que es tan prometedor, ahora cuando hacemos las cosas, pensamos en ese paciente que se va a curar de cáncer. Aunque, sinceramente, eso para nosotros es una aplicación más. Para la gente que se dirige a la biomedicina, este proceso me parece súper excitante, pero para mí desde el punto de vista conceptual, una vez que ya controlo los conceptos y sé cómo funcionan, tras muchos control tests, ya no es un reto para el conocimiento desde el punto de vista de la física. Es un reto para la biofísica, para la funcionalización, para la  inmunología… para todas estas ciencias”.

‘Y la luz, ¿para qué sirve?’. Para Javier, y para un gran número de científicos, esa no es la pregunta que les impulsa a realizar su trabajo y a dedicar tanto esfuerzo a sus investigaciones. En ciencia ésa no es la pregunta decisiva, la pregunta que determina el avance de un investigador por un camino o por otro. El científico se pregunta ‘¿Por qué?’, ‘¿Qué es eso?’, ‘¿Cómo es posible?’, ‘¿Qué pasaría si?’ Lo que mueve al científico es la curiosidad, una intensa y abrumadora curiosidad, que no es otra cosa que simple y puramente un deseo incontenible, hasta rabioso, de conocer, de ir más lejos, de no conformarse, una agradable insatisfacción ante lo que se nos presenta como misterioso e insondable.

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